автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Методы оценки эксплуатационной надежности дорожных покрытий лесовозных автомобильных дорог

005045696

На правах рукописи У

ш

ПЕТРОВ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ ЛЕСОВОЗНЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 4 МЮН 2012

Петрозаводск — 2012

005045696

Работа выполнена на кафедре промышленного транспорта и геодезии Петрозаводского государственного университета

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Питухин Александр Васильевич

Официальные оппоненты: Бурмистрова Ольга Николаевна,

доктор технических наук, профессор, декан лесотехнического факультета, заведующая кафедрой технологии и машин лесозаготовок и прикладной геодезии Ухтинского государственного технического университета

Лукашевич Виктор Михайлович,

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры технологии и оборудования лесного комплекса Петрозаводского государственного университета

Ведущая организация: Санкт-Петербургский

государственный лесотехнический университет имени С. М. Кирова

Защита состоится 20 июня 2012 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.190.03 при Петрозаводском государственном университете по адресу: 185910, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Петрозаводского государственного университета.

Автореферат разослан « ^ » мая 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Р. В. Воронов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. От эффективной работы лесной промышленности зависит экономическое развитие ряда регионов Российской Федерации. В технологическом цикле лесопромышленного производства сухопутный транспорт является связующим звеном. Вывозка лесоматериалов в настоящее время осуществляется, в основном, автомобильными поездами, при этом доля транспорта в себестоимости достигает 44-48%.

Эффективная работа автомобильных поездов может быть обеспечена только при высоких транспортно-эксплуатационных качествах автомобильных лесовозных дорог. Изучением транспортно-эксплуа-тационного состояния и его изменением в процессе эксплуатации лесовозной дороги занимался ряд ученых МГУЛ, СПбЛТУ, Ухтинского ГТУ, ВГЛТА, Северного (Арктического) федерального университета, ПетрГУ и других учреждений. В результате теоретической работы и проведенных экспериментальных исследований авторами были получены зависимости, отражающие изменение транспортно-эксплуа-тационных характеристик в процессе работы дороги. Полученные зависимости базируются на знании объемно-напряженного состояния дорожной одежды с учетом воздействия лесовозных автомобильных поездов.

Однако используемые автопоезда постоянно совершенствуются, увеличивается их грузоподъемность, изменяются параметры колес. Это вызывает необходимость совершенствования используемой для вывозки сети лесовозных автомобильных дорог, оценки дополнительного воздействия от автопоездов повышенной грузоподъемности, учета этого воздействия при проектировании. Таким образом, возникает необходимость разработки уточненной методики определения напряжений в дорожных конструкциях, которая позволит определять объемно-напряженное состояние дорожной конструкции для конкретного автопоезда. Актуальность разработки методов оценки вероятности безотказной работы вследствие разрушения дорожного покрытия от однократного и циклического нагружения от лесовозных автопоездов, определения вероятности безотказной работы нежестких дорожных покрытий от усталостного и эрозионного изнашивания, совершенствования расчетов конструкций дорожных одежд из зернистых мате-

3

риалов обусловлена необходимостью повышения эксплуатационной надежности дорожных покрытий лесовозных автомобильных дорог.

Цель работы. Целью диссертационной работы является повышение транспортно-эксплуатационных качеств лесовозных дорог на стадии проектирования и эксплуатации путем уточнения методов расчета напряженно-деформированного состояния дорожной конструкции, моделирования разрушения и изнашивания дорожного покрытия, а также разработки методов определения вероятности безотказной работы дорожных покрытий.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является конструкция лесовозной автомобильной дороги, а также процесс взаимодействия лесовозного автопоезда с покрытием.

Методы исследований. Для решения поставленной цели были использованы методы: теории вероятностей, математической статистики, теории планирования эксперимента, регрессионного анализа, дифференциального и интегрального исчислений, теории расчета нежестких. дорожных одежд, теории упругости, теоретической механики и механики разрушения. В процессе решения поставленных задач и обработки результатов экспериментов применялись прикладные программные пакеты Microsoft Word, Microsoft Excel, Зенит.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка литературы. Общий объем работы 207 страниц. Диссертационная работа содержит 39 рисунков, 44 таблицы (включая 8 таблиц приложений). Список литературы содержит 180 источников.

Научная новизна. Научной новизной обладают:

- Метод определения вероятности безотказной работы участка лесовозной дороги вследствие эрозионного изнашивания дорожного покрытия;

- Метод определения вероятности безотказной работы участка лесовозной дороги вследствие усталостного изнашивания дорожного покрытия;

- Метод оценки вероятности безотказной работы дорожных покрытий лесовозных автомобильных дорог при разрушении от однократного приложения нагрузки;

- Метод оценки вероятности безотказной работы дорожных покрытий лесовозных автомобильных дорог при циклических нагрузках с позиций механики разрушения;

- Метод оценки вероятности безотказной работы дорожных покрытий лесовозных автомобильных дорог при циклических нагрузках с использованием кривой усталости;

- Результаты экспериментальных исследований физико-механических характеристик конструктивных слоев дорожных одежд лесовозных дорог, полученные путем применения георадаров;

- Уточненная методика расчета дорожных конструкций из зернистых материалов и требования к расчетным показателям, что позволит определять толщину покрытия, при которой на поверхности основания в процессе эксплуатации не будет накапливаться остаточных деформаций.

Значимость для теории. Разработанные и исследованные методы определения вероятности безотказной работы дорожных покрытий вследствие разрушения от одно- и многократного приложения нагрузки, методы определения напряжений от автопоездов в дорожных конструкциях, методы оценки вероятности безотказной работы участков дорог вследствие эрозионного и усталостного изнашивания позволяют определить условия работы дорожных конструкций и углубить теорию надежности лесовозных автомобильных дорог.

Значимость для практики. Результаты исследования позволяют на этапе проектирования и эксплуатации лесовозных дорог уменьшить ущерб от воздействия автопоездов и улучшить транспортно-эксплуатационные качества лесовозных дорог.

Достоверность выводов и результатов исследований обеспечена: применением методов математической статистики, проведением экспериментальных исследований в полевых и лабораторных условиях, подтвержденной адекватностью полученных моделей за счет хорошей сходимости экспериментальных и теоретических данных.

Аппробация работы. Материалы работы докладывались и обсуждались на 59-й и 60-й научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (апрель 2007, апрель 2008 г. - ПетрГУг. Петрозаводск), на республиканской научно-технической конференции «Повышение эффективности лесного комплекса Республики Карелия» (апрель 2010 г., апрель 2012 г. - ПетрГУ г. Петрозаводск), и на международной конференции «Опыт лесопользования в усло-

виях Северо-Запада РФ и Фенноскандии» (сентябрь 2011 г. - ПетрГУ г. Петрозаводск), а также на заседаниях кафедры "Промышленного транспорта и геодезии" и кафедры "Технологии металлов и ремонта" Петрозаводского государственного университета.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и методы исследований, научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрено состояние проблемы повышения эксплуатационного уровня лесовозных автомобильных дорог. Лесовозные автомобильные дороги должны обеспечивать бесперебойное, круглосуточное, круглогодичное безопасное и удобное движение автомобилей с расчетными скоростями и осевыми нагрузками в течение всего срока службы, что возможно только при своевременном осуществлении работ по ремонту и содержанию. Планирование данных видов работ должно осуществляться на основании значений транспортно-эксплуатационных показателей.

Изменение параметров лесовозных автомобильных дорог вызвано воздействием лесовозных автопоездов и погодно-климатических факторов. Под воздействием нагрузки, в дорожной конструкции возникает сложное напряженно-деформированное состояние, от точности определения которого зависит правомерность и обоснованность принятых конструктивных решений. В связи с большим разнообразием транспортных средств, осуществляющих вывозку леса, необходимо максимально точно идентифицировать воздействие каждого из них на конструкцию дорожной одежды.

Исследование вопросов, связанных с изменение транспортно-экс-плуатационного состояния, отражено в большом количестве работ, что подтверждает значимость рассматриваемых вопросов.

Исходя из анализа состояния вопроса и цели работы, сформулированы задачи исследования: 6

1. Разработать метод определения вероятности безотказной работы участка автомобильной лесовозной дороги вследствие эрозионного изнашивания дорожного покрытия из зернистых материалов;

2. Разработать метод определения вероятности безотказной работы участка автомобильной лесовозной дороги вследствие усталостного изнашивания дорожного покрытия;

3. Разработать метод оценки вероятности безотказной работы дорожных покрытий лесовозных автомобильных дорог при разрушении от однократного приложения нагрузки;

4. Разработать метод оценки вероятности безотказной работы дорожных покрытий лесовозных автомобильных дорог вследствие разрушения от циклических нагрузок с позиций механики разрушения;

5. Разработать метод оценки вероятности безотказной работы дорожных покрытий лесовозных автомобильных дорог вследствие разрушения от циклических нагрузок с использованием кривой усталости;

6. Разработать метод определения напряжений в конструктивных слоях дорожных одежд, который позволит оценивать возможность пропуска лесовозными автомобильными дорогами автопоездов с заданными параметрами;

7. Уточнить методику расчета дорожной конструкции из зернистых материалов и требования к расчетным показателям лесовозных дорог, принимаемым на этапе проектирования дорожных конструкций, учитывая качество производства работ;

8. Экспериментальным путем исследовать влияние природно-климатических факторов, лесовозных автопоездов и условий строительства на работоспособность дорожных конструкций лесовозных автомобильных дорог;

9. Проверить адекватность разработанных методов и математических моделей.

Во второй главе рассмотрена необходимость применения теории вероятностей при расчетах дорожных конструкций. Предложен метод определения вероятности безотказной работы участка лесовозной автомобильной дороги вследствие эрозионного изнашивания покрытия, выполненного из зернистых материалов. Метод основан на модели, предполагающей усеченное экспоненциальное распределение величин дефектов й на грунтовых покрытиях и предпосылке, что для

возникновения отказа на участке дороги длиной Ь достаточно одного дефекта предельной глубины Д.

дорожное покрытие

основание

земляное полотно

Рис. 1. Конструкция дорожной одежды лесовозной дороги

Также предполагалось, что время образования одного дефекта, предельной глубиной А, пропорционально разности между толщиной слоя Д и первоначальной глубиной дефекта. Время безотказной работы покрытия г определяется из условия наискорейшего разрушения или появления первого дефекта, достигшего критического размера Д. Функцию распределения срока службы до отказа целесообразно определять с использованием экстремальных распределений.

Вероятность безотказной работы предложено определять по формуле:

где Д - толщина слоя покрытия, лш;

X - параметр экспоненциального распределения, 1/мм\ г - время безотказной работы покрытия, год\ N - количество дефектов на участке лесовозной дороги длиной к - износостойкость для данного конкретного материала покрытия от воздействия погодно-климатических факторов и транспортных средств, год/мм.

Формула (1) может быть использована для решения теоретических задач по определению требуемого уровня надежности лесовозной дороги. Представленная зависимость также позволяет на этапе проектирования покрытий лесовозных дорог из зернистых материалов учесть влияние случайных факторов, и принять обоснованное решение по 8

Лг

0)

назначению конструкции дорожной одежды, позволяющее увеличить вероятность безотказной работы участка дороги.

Кроме эрозионного изнашивания, причины отказов лесовозных дорог также связаны с усталостным изнашиванием, под которым понимают процесс разрушения дорожного покрытия, характеризующийся усталостными явлениями в поверхностных слоях.

Оценку прочности при усталостном изнашивании ведут по наибольшему сжимающему напряжению аз, равному максимальному контактному давлению р. Его принято называть контактным напряжением <ти. Расчет на усталостное изнашивание (контактную выносливость) при циклических контактных напряжениях базируется на экспериментальных кривых контактной усталости. При нерегулярном переменном нагружении от движения лесовозных автопоездов фактическое изменение напряжений может быть сведено к блочному нагружению. Один блок нагружения состоит из г ступеней, каждой из которых соответствует амплитуда контактных напряжений аи. и число циклов повторения этой амплитуды в блоке / = 1, 2, ....г.

При условии справедливости линейной гипотезы суммирования контактных усталостных повреждений, число блоков нагружения до образования выбоины предельных размеров Я может быть определено по формуле:

. сг'"-Лг

(2)

где т - показатель наклона левой ветви кривои контактной усталости;

N — число циклов, соответствующее точке перелома кривой контактной усталости;

а — предел контактной выносливости.

Срок службы до отказа, при длительности блока нагружения /й записывается в виде:

Г = А-/е. (3)

В правую часть выражения входят случайные величины оно, аш, т характеризующиеся своими функциями распределения. Как функция случайных аргументов, величина к также является случайной. Чтобы найти функцию распределения X, применяют метод статистических испытаний или метод статистической линеаризации.

В случае применения метода статистической линеаризации и принимая распределение срока службы логарифмически нормальным, можно определить для заданной вероятности разрушения Р логарифм срока службы до отказа:

ЪТ^ЪТ + и^ф, (4)

где 1/р - квантиль нормального распределения, соответствующий вероятности разрушения Р;

- среднее квадратическое отклонение логарифма срока службы;

Т - средний срок службы до отказа с учетом рассеяния параметров асфальтобетонной смеси как внутри одной партии, так и между партиями.

Предложен метод оценки вероятности безотказной работы при разрушении дорожных усовершенствованных покрытий от однократной нагрузки. Для этого определяем коэффициент интенсивности напряжений К. по формуле:

(5)

где а. - интенсивность напряжений;

У/1) - коэффициент, учитывающий размеры покрытия и вид дефекта;

I - длина трещиноподобного дефекта.

Условие разрушения запишется в виде:

К1>К,С. (6)

Зная критический коэффициент интенсивности напряжений К.а можно определить вероятность безотказной работы Р при предположении, что плотность распределения вязкости разрушения материала дорожной конструкции/¡(К.с) и коэффициента интенсивности напряжений /2(К) известны.

Для определения долговечности дорожного покрытия, предложен метод оценки вероятности безотказной работы при усталостном разрушении от действия циклических нагрузок, который рассматривает процесс постепенного накопления повреждений, приводящий к образованию трещин по подошве усовершенствованного покрытия, их развитию и локальному разрушению участка поверхности. В рассматриваемом методе процесс усталостного разрушения ограничен двумя 10

укрупненными стадиями: стадия накопления рассеянных повреждений и стадия развития усталостной трещины.

Для описания процесса усталостного разрушения на стадии накопления рассеянных повреждений предложено использовать уравнение В.В. Болотина с помощью которого рекомендуется определять число циклов зарождения ДОз, после чего трещина начнет свое развитие при циклических напряжениях от лесовозных автопоездов.

Для описания процесса усталостного разрушения на стадии развития усталостной трещины предложено использовать уравнение Пэриса:

— = СДЛГ", (7)

<Ш '

где 1 - длина трещины; ДО - число циклов;

п, С - экспериментально определяемые константы; АК. - изменение (размах) коэффициента интенсивности напряжений в цикле;

ДАТ,- = (/ )Дсг, д/я^ (8)

где До. - размах напряжений в цикле, при Дат1п<0 принимаем А а = о .

так

Таким образом, используя формулы (7) и (8) определяем число циклов ДО до разрушения при воздействии циклической нагрузки от лесовозных автопоездов с постоянным размахом До:

дг =_(9)

' САа"лп'2 ¿тГ'2'

где 1о- начальный размер трещины; / - критический размер трещины.

Общий срок службы до отказа, определяемый числом пропущенных автопоездов, с учетом двух стадий развития трещины запишется в виде:

ДО = ДО3 + Ыр. (10)

Предложен метод оценки вероятности безотказной работы дорожных покрытий лесовозных автомобильных дорог вследствие ус^ талостного разрушения с использованием кривой усталости Велера. Количество циклов до разрушения ДО, для данного случая, может

быть определено через уравнение кривой усталости с использованием линейной гипотезы суммирования усталостных повреждений.

Уравнение наклонной части кривой усталости имеет следующий вид:

a"'N = a"'N0 = const. (11)

Основными характеристиками кривой усталости Велера являются показатель степени наклона кривой т, предел выносливости ао асфальтобетонной смеси и количество циклов No, соответствующих пределу выносливости. Характеристики сопротивления усталости зависят от температуры (как параметры кривой усталости Велера, так и параметры С и и в уравнении Пэриса), в связи с чем их необходимо определять для различных градаций температуры покрытия tf..,tk.

Для реализации метода необходимо при заданном значении t. определить характеристики кривой усталости Велера т., NoP аы. Действующие от подвижного состава нагрузки Fp ..., Fr сводим к блоку нагружения. Для каждого сочетания температуры t. и нагрузки F. с учетом модуля упругости материала покрытия определяются значения действующих напряжений по подошве рассматриваемого слоя а... Используя соответствующие кривые усталости находим число циклов до разрушения при заданном уровне действующих напряжений Nn степень повреждения от блока нагружения при заданной температуре а , и степень повреждения от блока нагружения а при различных температурах дорожного покрытия по формулам:

а"1'N г «„■ к г п„

= = (12)

Срок службы до отказа, определяемый числом проездов автопоездов, оценивается по формуле:

Np =-. (13)

а

Метод позволяет определить средний срок службы до выхода усталостной трещины на поверхность и вероятность безотказной работы в зависимости от сезонности вывозки и имеющегося подвижного состава. Вероятность безотказной работы может быть получена с использованием метода статистических испытаний или статистической линеаризации.

Для определения объемно напряженного состояния дорожной конструкции лесовозной автомобильной дороги предложен численно-аналитический метод случайных испытаний, который позволяет получить искомые значения напряжений в любой точке дорожной конструкции от нагрузки различной формы и величины (рис. 2).

Рис. 2. Схема к определению напряжений численно-аналитическим методом случайных испытаний

Для реализации метода на произвольной формы площадке 5, где приложена нагрузка величиной Р, случайным образом выбираем ряд точек N. При этом нагрузку Р, распределенную по площади контакта нагрузки отпечатком 5, заменяем рядом сосредоточенных сил Р.. Располагая решением при действии сосредоточенной силы Р на плоскую границу полубесконечного тела (задача Буссинеска), с помощью суперпозиции можно найти напряжения, вызванные рядом сосредоточенных сил Р , действующих на некоторой площадке 5 плоской границы полубесконечного тела. Данные, полученные численно-аналитическим методом, были сопоставлены с данными, полученными аналитическими методами для равномерно распределенной по площади круга нагрузки и показали высокую точность.

Разработанный метод был положен в основу уточненной методики расчета дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог из зернистых материалов. Преимуществом методики является то, что она учитывает влияние соседних осей автомобиля на объемно напряженное состояние в любой точке дорожной конструкции.

Однако для дорожных конструкций лесовозных дорог, устроенных из материалов, имеющих значительное различие прочностных характеристик, использование формулы Буссинеска является непримени-

мым, в связи с чем для поиска напряжений используем метод конечных элементов.

Проблема обеспечения надежности является комплексной, так как уровень показателей надежности зависит не только от конструктивных решений, но и от технологического исполнения и соответствующих эксплуатационных мероприятий. В связи с несовершенством технологии производства работ значения фактических параметров могут значительно отличаться от проектных, что влияет на прочность дорожной конструкции. Основываясь на данных экспериментальных исследований, предполагают, что изменение значения прочности, определяемой допустимым общим прогибом под расчетной нагрузкой, подчиняется нормальному закону. Однако проведенное математическое моделирование показало, что универсальным законом является закон Вейбулла, на основании которого предложено определять требуемые значения коэффициента прочности при расчетах дорожных конструкций лесовозных автомобильных дорог традиционными методами.

Третья глава работы посвящена описанию методики и оборудования для проведения экспериментальных исследований. Целью экспериментальных исследований являлось подтверждение адекватности разработанных методов и математических моделей.

Для подтверждения адекватности метода определения вероятности безотказной работы автомобильной лесовозной дороги вследствие эрозионного изнашивания дорожного покрытия необходимо было подтвердить гипотезу распределения величины дефектов на дорожном покрытии. Для этого лесовозная дорога с помощью измерительной рулетки разбивалась на участки. Ширина участка принималась равной ширине проезжей части, длина принималась равной 10 м. В пределах каждого участка площадь и глубина дефектов определялась с помощью рулетки и рейки, фиксировалось их общее количество. Затем производилась фотофиксация дефекта с целью уточнения его площади в программе AutoCAD.

Для определения влияния рассеяния параметров на работоспособность покрытия необходимо было подтвердить гипотезу о том, что для лесовозных дорог, где значения ровности, толщины конструктивных слоев, влажности изменяются в широком диапазоне и характеризуются значительным коэффициентом вариации, универсальным

законом является закон Вейбулла. На первом этапе исследований осуществлялся выбор участков для инструментального обследования. В качестве критерия была выбрана величина фактической скорости движения транспортных средств. Для определения скорости движения использовался радар. Измерения проводились для загруженных автопоездов, количество измерений соответствовало статистически необходимому объему. Данные обрабатывались методами математической статистики. В результате анализа было определено 3 участка, подлежащих инструментальному обследованию.

На втором этапе производилось инструментальное измерение ровности, толщины конструктивных слоев и влажности материалов. Для измерения ровности дороги в продольном направлении по полосам наката с помощью мерной ленты с шагом 0,1 м производилось закрепление точек и последующее определение высотного положения. По полученным значениям был построен профиль участков дороги, а также вычислены значения глубины дефектов на дорожном покрытии.

Измерение влажности производилось методом высушивания до постоянной массы. Полученные данные были сопоставлены с данными, полученными методом георадарного сканирования. Для контроля точности определения влажности, на контрольных точках производилось сопоставление результатов, полученных методом георадарного сканирования с данными, полученными методом высушивания до постоянной массы.

В четвертой главе проверена адекватность предложенных методов. Для проверки адекватности метода определения напряжений в дорожных конструкциях были проанализированы данные экспериментов ряда авторов для круглого штампа диаметром О с равномерно распределенной нагрузкой величиной р и сопоставлены с данными, полученными разработанным численно-аналитическим методом.

Рис. 3. Распределение вертикальных нормальных напряжений по глубине г при проходе автопоезда (1 - метод случайного поиска; 2- экспериментальные

данные Евгеньева И. Е.; 3 - экспериментальные данные Черкасова Н. Н..)

Сопоставление результатов вычислений нормальных напряжений методом случайного поиска с экспериментальными данными, показывает их хорошее соответствие. Однако реальный отпечаток штампа колеса имеет форму, отличную от круга, и нагрузка распределена в пределах контактной поверхности не равномерно (рис. 2).

Для данного отпечатка колеса и реального распределения нагрузки была вычислена величина напряжений и интенсивности напряжений на различных глубинах и сопоставлена с результатами, полученными по общепринятым расчетным схемам. Результаты представлены в выводе 1.

Было произведено сопоставление данных измерения влажности методом высушивания до постоянной массы с данными, полученными методом георадарного сканирования.

Рис. 4. Результаты георадарного сканирования участка дороги

Результаты сравнения показали, что различие в определении средней влажности не превышает 5%. Сопоставление данных также показало, что при одинаковых выборочных средних значениях влажности 16

IV, выборочная дисперсия отличается в 2 раза. В связи с этим можно сделать вывод, что использование георадаров позволяет определять места значительного увлажнения с большей точностью. Применение стандартных методов допустимо при значительном увеличении количества проб.

Для проверки адекватности метода определения вероятности безотказной работы вследствие разрушения усовершенствованных дорожных покрытий при циклических нагрузках было произведено сопоставление экспериментальных данных с данными, полученными аналитическим путем. Для поиска констант и, С в уравнении Пэриса (7) был использован метод наименьших квадратов. В результате получены следующие значения: п = 4,114, С = 7,52*10"7. Эти данные использованы для определения скорости роста усталостной трещины в асфальтобетоне dl/dN. Был сделан вывод о том, что формула (7) позволяет прогнозировать рост усталостной трещины и может быть использована для дальнейших расчетов при прогнозировании работоспособности дорожной одежды.

Согласно представленной методике оценки вероятности безотказной работы участка лесовозной автомобильной дороги вследствие усталостного разрушения был рассчитан срок службы до отказа участка лесовозной дороги при использовании для вывозки автопоездов Sisu Timber С500 для двух температур дорожного покрытия: плюс 10°С и минус 5°С. Для поиска напряжений использован метод конечных элементов, реализованный в программном комплексе Зенит. Для этого при различных уровнях нагрузки (рис.5) и различных температурах, которые обуславливают изменение механических свойств покрытия, а следовательно и напряженно-деформированного состояния, определялись действующие растягивающие напряжения на подошве асфальтобетонного покрытия.

Рис. 5. Распределение нагрузки по осям лесовозного автопоезда Sisu Timber С500

Для определения числа циклов до разрушения Л^ использованы кривые усталости асфальтобетонной смеси для соответствующих температур и формулы (12). Данные расчетов приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1

Степень повреждения от однократного проезда автопоезда Sisu Timber С500 при температуре дорожного покрытия плюс 10°С

№ п/п г, с Действующие напряжения Суммарная степень повреждения

0,603 МПа 0,681 МПа 0,767 МПа

1 10 1,21*10'5 3,64*106 6,61*10 6 2,24* Ю-5

Таблица 2

Степень повреждения от однократного проезда автопоезда Sisu Timber С500 при температуре дорожного покрытия минус 5°С

№ п/п Л с Действующие напряжения Суммарная степень повреждения

0,807 МПа 0,911 МПа 1,026 МПа

1 -5 9,77* Ю-6 3,55* 10"6 5,83*10"6 1,92*10"5

Результаты расчетов показали, что средний срок службы до отказа при понижении температуры повышается на 17% для представленного автопоезда при толщине покрытия 0,1 м.

Для определения вероятности безотказной работы участка лесовозной автомобильной дороги вследствие эрозионного изнашивания дорожного покрытия была использована формула (1). На основании экспериментальных данных была вычислена износостойкость дорожного покрытия к для различных типов колес транспортных средств, в результате чего получены зависимости для определения износостойкости. По результатам расчетов с использованием формулы (1) получены данные, представленные на рисунке 6.

Рис. 6. Вероятности безотказной работы дорожного покрытия из зернистых материалов при нагрузке 40 кН (1 - односкатное колесо 435, 2 — односкатное колесо 445, 3 - односкатное колесо 455,4 - двухскатное колесо).

Анализ полученных данных позволяет сделать вывод, что вероятность безотказной работы в значительной степени зависит от характера распределения нагрузки в плоскости следа, что не учтено в существующих методиках.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработан численно-аналитический метод определения напряжений в дорожных конструкциях при любой форме отпечатка колеса и величине нагрузки, позволяющий определять напряжения не только по оси действия, но и на некотором расстоянии от места ее приложения. Установлено, что использование в качестве общепринятой расчетной схемы кругового штампа, передающего равномерно распределенную нагрузку, приводит к уменьшению расчетных значений напряжений на глубине 0,3 м на 13,6%; 0,6 м - 2,7%; 1,0 м - 1% по сравнению с нагрузкой, распределенной по уравнению эллипса, что более соответствует реальной модели нагружения. Выяснено, что использование разработанного метода поможет значительно уточнить значения действующих напряжений, принимаемых на этапе проектирования: для лесовозных автомобильных дорог с грунтовыми покрытиями на 8,4-11,3%, с гравийными покрытиями на 7,2-11,7%.

2. Предложенный метод оценки вероятности безотказной работы вследствие усталостного разрушения показывает, что на рост уста-

лостных трещин оказывает влияние не только величина нагрузки, но также параметры площадки контакта колеса, характер распределения нагрузки и температура, что в существующих методах расчета не учтено. Температура дорожного покрытия влияет на модуль упругости и, следовательно, на уровень действующих напряжений. Кроме того, температура влияет на характеристики сопротивления усталости. Выявлено, что с понижением температуры дорожного покрытия от +10°С до -5°С срок службы до отказа, оцениваемый числом проездов автопоездов Sisu Timber С500, увеличивается на 17% при толщине покрытия 0,1 м.

3. Разработан метод определения вероятности безотказной работы участка дороги вследствие усталостного изнашивания дорожного покрытия, на основании которого предложено определять межремонтные сроки службы.

4. Предложен метод определения вероятности безотказной работы участка лесовозной автомобильной дороги вследствие эрозионного изнашивания дорожного покрытия из зернистых материалов. Установлено, что вероятность безотказной работы дорожного покрытия вследствие эрозионного изнашивания в значительной степени зависит от характера распределения нагрузки в плоскости следа и при постоянной величине нагрузки может изменяться более чем в 2 раза.

5. Анализ результатов экспериментального обследования участков лесовозных автомобильных дорог показал, что рассеяние параметров ровности, толщины слоев, влажности подчиняется закону Вейбулла, на основании которого предложено определять требуемые значения коэффициента прочности при расчетах конструкции дорожной одежды традиционными методами.

6. Уточнена методика расчета толщины дорожной конструкции из неукрепленных зернистых материалов путем применения численно-аналитического метода определения напряжений в дорожной конструкции и учета дополнительного воздействия соседних колес транспортных средств. Сравнение результатов имеющихся методик с разработанной показывает, что необходимо увеличивать толщину дорожного покрытия при расчетной влажности грунтов W = 80% на 22%, для влажности W = 70% на 11%.

7. Результаты георадарного обследования лесовозных дорог показали, что использование данного оборудования позволяет получать непрерывную и полную информацию о состоянии дорожной конструкции, которая может быть положена в основу прогнозирования работ

по ремонту и содержанию. Точность получаемых данных в значительной степени превышает точность используемых в настоящее время методик.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ОПУБЛИКОВАНЫ

В изданиях, рекомендованных ВАК при Минобрнаукп России

1. Питухин А. В., Петров А. Н. Влияние ровности покрытий на работоспособность автомобильных дорог // Транспортное дело России. № 5 (78). -М., 2010. - С. 71-75. (доля участия 70%)

2. Питухин А. В., Петров А. Н. Расчет дорожных конструкций лесовозных автомобильных дорог // Транспортное дело России. №1 (86). - М., 2011. - С. 120-123. (доля участия 60%)"

3. Питухин А. В., Петров А. Н. Применение усеченного экспоненциального распределения для оценки вероятности отказа участка автомобильной дороги // Ученые записки ПетрГУ. - 2010. - № 2. - С. 70-72. (доля участия 50%)

В статьях и материалах конференций

1. Петров А. Н. Повышение эксплуатационной надежности дорожных покрытий // Опыт лесопользования в условиях Северо-Запада РФ и Фенноскандии: материалы международной научно-технической конференции, посвященной 60-летию лесоинженерного факультета ПетрГУ. - Петрозаводск, 2011. - С. 27-28. (доля участия 100%)

2. Кочанов А. Н., Петров А. Н. Применение георадаров для диагностики состояния лесовозных автомобильных дорог // Труды лесоинженерного факультета ПетрГУ. - Петрозаводск, 2010. - С. 74-76. (доля участия 60%)

3. Марков В. И., Петров А. Н. Обоснование выбора системы катков для уплотнения асфальтобетонных слоев дорожных одежд // Труды лесоинженерного факультета ПетрГУ. - Петрозаводск, 2008. - С. 61-63. (доля участия 50%)

4. Петров А. Н. Метод определения средней наработки до отказа участка лесовозной автомобильной дороги вследствие усталостного изнашивания дорожного покрытия // Повышение эффективности лесного комплекса Республики Карелия: материалы третьей республиканской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов, докторантов. - Петрозаводск, 2012. - С. 30-33. (доля участия 100%)

5. Петров А. Н., Степанов А. В. Оценка качества содержания лесовозных автомобильных дорог // Повышение эффективности лесного комплекса Республики Карелия: материалы третьей республиканской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов, докторантов. - Петрозаводск, 2012. - С. 33-35. (доля участия 60%)

Подписано в печать 16.05.12. Формат 60 х 84 716. Бумага офсетная. 1 уч.-изд. л. Тираж 110 экз. Изд. № 117.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Отпечатано в типографии Издательства ПетрГУ 185910, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Обзор литературных источников по проблеме повышения транспортно-эксплуатационного качества покрытий лесовозных автомобильных дорог

1.2 Существующие методы и способы повышения качества покрытий лесовозных автомобильных дорог

1.3 Опыт применения теории вероятностей для повышения надежности лесовозных дорог

1.4 Цель и задачи исследования

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ ЛЕСОВОЗНЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

2.1 Применение теории вероятности для повышения эксплуатационной надежности покрытий лесовозных дорог

2.2 Метод определения вероятности безотказной работы участка лесовозной автомобильной дороги вследствие эрозионного изнашивания дорожного покрытия из зернистых материалов

2.3 Метод определения вероятности безотказной работы участка лесовозной автомобильной дороги вследствие усталостного изнашивания дорожного покрытия

2.4 Метод оценки вероятности безотказной работы дорожных покрытий лесовозных автомобильных дорог при разрушении от однократной нагрузки

2.5 Метод оценки вероятности безотказной работы дорожных покрытий лесовозных автомобильных дорог при циклических нагрузках с позиции механики разрушения

2.6 Метод оценки вероятности безотказной работы дорожных покрытий лесовозных автомобильных дорог с использованием кривой усталости

2.7 Анализ и разработка методов определения напряжений в дорожных конструкциях лесовозных дорог

2.8 Уточнённая методика расчета толщины дорожной конструкции из зернистых материалов и требования к расчетным параметрам

3 МЕТОДИКА И АППАРАТУРА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Общие положения экспериментальных исследований

3.2 Оборудование и приборы экспериментального исследования

4 СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1 Проверка адекватности метода определения напряжений в дорожной конструкции

4.2 Проверка адекватности метода оценки вероятности безотказной работы дорожного покрытия лесовозной дороги вследствие разрушения дорожного покрытия при циклических нагрузках

4.3 Подтверждение методических положений по влиянию рассеяния параметров автомобильных дорог на их работоспособность

4.4 Проверка адекватности метода определения вероятности безотказной работы участка лесовозной дороги вследствие эрозионного изнашивания дорожного покрытия

4.5 Оценка среднего срока службы участка дороги вследствие усталостного разрушения дорожного покрытия 144 Общие выводы и рекомендации 150 Список литературы 152 Приложения

Актуальность темы исследования. Важнейшим мероприятием повышения эффективности работы лесного комплекса является создание надежной и достаточной по протяженности сети автомобильных лесовозных дорог [138,41]. Рост грузооборотов лесовозных автомобильных дорог и увеличение расстояния вывозки леса являются характерными особенностями развития сухопутного транспорта леса в настоящее время. Являясь связующим звеном лесозаготовительного процесса, он влияет на производительность труда, себестоимость и экономическую эффективность лесозаготовок в целом. В настоящее время сдерживающим развитие лесной промышленности фактором является недостаточное количество лесных дорог круглогодичного действия.

Проектирование новых дорог осуществляется согласно стандартам, разработанных для дорог общего пользования. Однако лесовозные дороги в значительной степени отличаются составом и интенсивностью движения. Имеющиеся методики значительно устарели в связи с появлением лесовозных автомобилей повышенной грузоподъемности.

Содержанию находящихся в эксплуатации дорог, также уделяется недостаточное внимание. Используемая для вывозки леса сеть постоянных дорог запроектирована под определенную нагрузку на ось и интенсивность движения. Используемые для вывозки автопоезда повышенной грузоподъемности, оказывают дополнительное силовое воздействие. На стадии эксплуатации это приводит к увеличению расходов на содержание в связи с повышенным износом, накоплением деформаций и отказом участка. Обследования дорог с целью определения их прочностных характеристик не производится в связи с большой стоимостью работ и ограниченным финансированием, что вызывает необходимость получения актуальной, достоверной и своевременной информации о состоянии сети лесовозных дорог при минимальных затратах.

Совершенствование технических и технологических решений приведет к рациональному использованию финансовых средств, предназначенных для строительства и содержания лесовозных автомобильных дорог. Поиск таких решений невозможен без научных исследований, использования компьютерных программ, вычислительной техники и математического моделирования. Вопросы, связанные с совершенствованием расчетов конструкции, направленные на повышение их эксплуатационных качеств и надежности лесовозных дорог, снижение материалоемкости являются актуальными.

Цель работы. Целью диссертационной работы является повышение транспортно-эксплуатационных качеств лесовозных дорог на стадии проектирования и эксплуатации путем уточнения методов расчета напряженно-деформированного состояния дорожной конструкции, моделирования разрушения и изнашивания дорожного покрытия, а также разработки методов определения вероятности безотказной работы дорожных покрытий.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является конструкция лесовозной автомобильной дороги, а также процесс взаимодействия лесовозного автопоезда с покрытием.

Методы исследований. Для решения поставленной цели были использованы методы: теории вероятностей, математической статистики, теории планирования эксперимента, регрессионного анализа, дифференциального и интегрального исчислений, теории расчета нежестких дорожных одежд, теоретической механики и механики разрушения. В процессе решения поставленных задач и обработки результатов экспериментов применялись прикладные программные пакеты Microsoft Word, Microsoft Excel, Зенит.

Значимость для теории. Разработанные и исследованные методы определения вероятности безотказной работы дорожных покрытий вследствие разрушения от одно- и многократного приложения нагрузки, методы определения напряжений от автопоездов в дорожных конструкциях, методы оценки вероятности безотказной работы участков дорог вследствие эрозионного и усталостного изнашивания позволяют определить условия работы дорожных конструкций и углубить теорию надежности лесовозных автомобильных дорог.

Значимость для практики. Результаты исследования позволяют на этапе проектирования и эксплуатации лесовозных дорог уменьшить ущерб от воздействия автопоездов и улучшить транспортно-эксплуатационные качества лесовозных дорог.

Достоверность выводов и результатов исследований обеспечена: применением методов математической статистики; проведением экспериментальных исследований в полевых и лабораторных условиях, подтвержденной адекватностью полученных моделей за счет хорошей сходимости экспериментальных и теоретических данных.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы. Общий объем работы 207 страниц. Диссертационная работа содержит 39 рисунков, 44 таблицы (включая 8 таблиц приложений). Список литературы содержит 180 источников.