автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Технология стадийного повышения эксплуатационно-экологического уровня лесовозных автомобильных дорог

I

0034Б9252

На правах рукописи

Допперт Вячеслав Анатольевич

ТЕХНОЛОГИЯ СТАДИЙНОГО ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННО-ЭКОЛОГИЧЕСКОГО УРОВНЯ ЛЕСОВОЗНЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 4 г; -

Воронеж 2009

003469252

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежская государственная лесотехническая академия»

Научный руководитель доктор технических наук, Заслужен-

ный работник высшей школы РФ, профессор Курьянов Виктор Кузьмич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

Бурмистрова Ольга Николаевна кандидат технических наук Нахаев Заурбейг Нариманович

Ведущая организация: Санкт-Петербургская государствен-

ная лесотехническая академия (194018, г. Санкт-Петербург, институтский пер., 5)

Защита диссертации состоится 29 мая 2009 г. в 1300 час на заседании диссертационного совета Д 212.034.02 при ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» (394613, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8, аудитория 240)

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия».

Автореферат разослан 27 апреля 2009 г.

Ученый секретарь sj^ *

диссертационного совета — Скрыпников A.B.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Лесопромышленный комплекс является одним из наиболее сложных и крупных среди других производственно-хозяйственных и социально-экономических комплексов. Именно в нём период социально-политического переустройства России в наиболее острой форме выявил проблемы, обусловленные несовершенством основ организации и управления лесотранспортным процессом, а также проблемы, связанные со стабилизацией экономических отношений.

Развитие транспортно-дорожной сети - один из главных приоритетов в работе Правительства России. Об этом свидетельствует новая Федеральная целевая программа «Развитие транспортной системы России на 2010-2015 годы», и принятая недавно «Транспортная стратегия» Российской Федерации на период до 2030 года. На первое место поставлены общесоциальные и общеэкономические стратегические целевые ориентиры, направленные на доступность и качество транспортных услуг, снижение аварийности, рисков и угроз безопасности по видам транспорта в загрязнении окружающей среды.

Хорошие автомобильные дороги обеспечивают устойчивую работу всех звеньев лесозаготовительного производства. Это позволяет максимально использовать основные фонды, поднять уровень организации всего лесозаготовительного производства в целом, повысить эффективность развития российской экономики и, как следствие, увеличить конкурентоспособность российской продукции по отношению к зарубежной.

Одним из путей повышения эксплуатационных качеств автомобильных дорог является совершенствование технологий устройства асфальтобетонных покрытий. От качества выполнения процессов укладки и уплотнения горячих смесей зависит работоспособность дорожных покрытий в период эксплуатации автомобильных дорог.

Метод стадийного строительства больше всего применим для дорожной одежды, которую по мере роста интенсивности движения требуется усилить в целом по дороге, или на отдельных экономических перегонах в процессе нового строительства или при капитальном ремонте.

Указанное выдвигает рассматриваемую проблему в число важнейших народнохозяйственных и социальных задач, подчеркивая ее актуальность.

Цель и задачи исследования. Цель исследования состоит в разработке технологии повышения эксплуатационно-экологического уровня лесовозных автомобильных дорог на основе анализа и математического моделирования процессов их функционирования.

Исходя из поставленной цели, в диссертации решаются следующие основные задачи:

1. Разработать модели взаимодействия жесткого вальца с материалом покрытия при статическом и динамическом режимах уплотнения и установить параметры контакта вальца катка с учетом прочностных свойств материала.

2. Разработать модель «покрытие-основание» для моделирования теплового процесса в дорожной одежде.

3. Разработать методику оценки прочности нежёстких дорожных одежд.

4. Разработать алгоритм стадийного повышения эксплуатационно-экологического уровня лесовозных автомобильных дорог.

Объектом исследования являются прочность дорожной одежды и эксплуатационно-экологический уровень лесовозных автомобильных дорог.

Предметом исследования являются математические модели и методы стратегии повышения эксплуатационно-экологического уровня лесовозных автомобильных дорог.

Методы исследования. Исследования прочности дорожной одежды и повышение эксплуатационно-экологического уровня лесовозных автомобильных дорог проводятся с использованием методов динамического программирования, оптимизации процессов и исследования теории алгоритмов и структур данных.

Научная новизна результатов заключается в решении комплекса задач по повышению эксплуатационно-экологического уровня лесовозных автомобильных дорог по результатам математического моделирования процесса функционирования лесовозных автомобильных дорог, с определением технико-экономических, энергетических, экологических показателей.

К числу важнейших результатов диссертации, обладающих научной новизной, относятся следующие:

1. Теоретическое обоснование параметров уплотняющего оборудования дорожного покрытия, отличающееся возможностью повысить прочность дорожных одежд на 4...8 %.

2. Аналитические зависимости теплофизических характеристик асфальтобетонных смесей от их состава и температуры, отличающиеся тем, что позволяют определить предел прочности горячего асфальтобетона от технологических параметров процесса уплотнения.

3. Общие принципы методики оценки прочности дорожных одежд нежёсткого типа, отличающиеся тем, что позволяют выявлять участки наибольшего снижения прочности дорожной одежды.

4. Метод стадийного повышения эксплуатационно-экологического уровня лесовозных автомобильных дорог, отличающийся тем, что позволяет выявлять участки с неудовлетворительными эксплуатационно-экологическими качествами на основе анализа ДТП, показателей токсичности, различных дефектов.

На защиту выносятся:

1. Закономерности взаимодействия вальца катка с материалом, позволяющие оценивать его напряженное состояние в процессе уплотнения.

2. Математическая модель «покрытие-основание» параметров конструктивных слоев лесовозных автомобильных дорог.

3. Методика оценки прочности нежёстких дорожных одежд динамическим нагружением.

4. Алгоритм повышения эксплуатационно-экологического уровня лесовозных автомобильных дорог в системе автоматизированного проектирования.

Практическая значимость и реализация результатов работы связана с использованием основных её положений:

- методика выбора параметров уплотняющих машин с учётом прочностных характеристик асфальтобетона;

- математическая модель «покрытие-основание», позволяющая регулировать процесс формирования макроструктуры дорожного покрытия в процессе строительства;

- закономерности для определения допустимого снижения требуемого модуля упругости в процессе эксплуатации дорожной одежды;

- рекомендации по стадийному повышению эксплуатационно-экологического уровня лесовозных автомобильных дорог, позволяющие увеличить эффективность использования капитальных вложений и управлять процессом развития дорог во времени.

Разработанные на основе полученных результатов математические модели, рекомендации, алгоритмы и программа для ЭВМ использовали: центр Дорожно-мостового проектирования «Магистраль» - при разработке проектов автомобильных дорог, ОАО «ВоронежГипродорНИИ» - при строительстве дорожных одежд нежёсткого типа.

Разработанные алгоритмы и программы используются в учебном процессе ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия», ГОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет» при подготовке инженеров лесотехнического профиля.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты исследований докладывались автором на ежегодных научно-технических конференциях ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» (2006, 2007, 2008 гг.).

Личное участие автора в получении результатов. Работа выполнена по программе ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» на 2000-2010 гг. (№ гос. регистрации 01.200103889). Разработана стратегия повышения эксплуатационно-экологического уровня лесовозных автомобильных дорог и методы оценки прочности дорожной одежды. Все работы по организации эксперимента, обработке данных, их анализ и математическое моделирование выполнены автором при консультации научного руководителя доктора технических наук, профессора Курьянова В.К.

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 7 научных работах, в том числе 2 работы, в изданиях, определенных ВАК Ми-нобрнауки РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников и приложений. Содержание диссертации изложено на 190 страницах печатного текста, 33 таблиц и 33 рисунках. Список использованных источников

включает 162 наименования, в том числе 11 на иностранных языках. Приложение включает таблицы, акты, и другие материалы по теме диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. В виде краткой аннотации изложено содержание диссертационной работы, показана актуальность и научная новизна выполненных исследований, их практическая значимость и результаты внедрения, а также сформулированы основные научные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе рассмотрено состояние проблемы повышения эксплуатационно-экологического уровня лесовозных автомобильных дорог.

Основным назначением лесовозных автомобильных дорог является вывозка древесины на определенное расстояние с определенной скоростью. Поэтому эксплуатационно-экологическое состояние сети лесовозных автомобильных дорог должно обеспечивать требуемый объем вывозки древесины. В связи с этим возникает необходимость периодически, в порядке проведения нового строительства, реконструкции или ремонта дорог повышать их эксплуатационно-экологический уровень.

Значительный вклад в изучение проблемы повышения эксплуатационно-экологического уровня лесовозных автомобильных дорог внесли В.И. Алябьев, О.Н. Бурмистрова, A.A. Журавлев, В.А. Иларионов, Б.А. Ильин, Г.В. Крамаренко, Б.И. Кувалдин, Р.В. Кугель, В.К. Курьянов, И.И. Леонович, A.C. Литвинов, З.Н. Нахаев, Я.М. Певзнер, В.Ф. Платонов, С.Ю. Рокас, A.A. Римкявичус, В.В. Сильянов и др.

Проведенный анализ литературы показывает, что оценка эксплуатационно-экологического уровня лесовозных автомобильных дорог (ЭЭУ ЛАД) производится дифференциальным методом по отдельным показателям эксплуатационно-экологической системы, практически не связанных друг с другом и не определяющих, в отдельности, способности ЛАД выполнять лесо-транспортную работу.

В соответствии с этим были сформулированы основные направления исследования, продиктованные необходимостью разработать научные основы и практический метод повышения эксплуатационно-экологического уровня лесовозных автомобильных дорог и обеспечить эффективность вывозки древесины.

Во втором разделе дается обоснование параметров уплотняющего оборудования дорожного покрытия.

Установление закономерностей влияния разных факторов на величину контактной поверхности вальца является основой для моделирования процесса взаимодействия вальца катка с материалом и позволяет решать вопрос о напряжённом состоянии материала в процессе уплотнения.

Максимальный эффект уплотнения при работе катков достигается при условии, когда контактные напряжения под вальцом катка близки к пределу прочности материала. На рисунке 2.1 представлено изменение плотности материала от числа проходов катка, полученных экспериментально при уплот-

нении материала в производственных условиях. Из данных видно, что при работе катка плотность материала возрастает интенсивно на начальных проходах. При достижении определенного количества проходов катка она стабилизируется, что позволяет делать вывод о целесообразности дальнейшего применения катка.

2,5

о

§ 0,5

0 2 4 б 8 10

число проходов катка

° - каток ДУ-36, грунт - глина, толщина слоя - 0,15 м; 1:1 - каток ДУ-47Б, в статическом режиме, суглинок, толщина слоя 0,15 м; ° - каток ДУ-47Б, с вибрацией, суглинок; "-каток ДУ-47Б, статический режим, асфальтобетон песчаный, 0,05 м Рисунок 2.1 - Зависимость плотности материала от числа проходов

катка

Взаимодействие жесткого вальца катка с материалом представлено на

лом

Полная деформация уплотняемого материала может быть определена как сумма необратимой и обратимой деформаций, то есть

к,- =/!,.+/);, м (2.1)

Из схемы взаимодействия вальца катка с уплотняемым материалом получены выражения для определения деформаций уплотняемого материала

Л,- = ^(соза-созг), Л,- =Л(1-соза) (2.2)

где Л - радиус вальца, м; а - угол между осью движения вальца и точкой, характеризующей конец контакта вальца с материалом, характеризующий упругую деформацию, град; г - угол между точкой начала контакта вальца с уплотняемым материалом и осью движения вальца, характеризующий полную деформацию материала, м.

Влияние параметров вальца катка, модуля деформации уплотняемого материала и толщины слоя на угол контакта вальца представлено на рисунках 2.3 и 2.4.

8 30

е-

I20

£ 15

га

Ё ю

50 100

Линейное давление вальца, кгс/см а

150

0,5

Радиус вальца, н

Рисунок 2.3 - Влияние параметров катка на угол контакта вальца с уплотняемым материалом: а - от линейного давления; б - от радиуса вальца

1

2 ✓ 3

< £

5 10 15 20 модуль деформации, МПа

3 4 5 6 7 9 толщина слоя, см

б

1 - грунт глина, каток ДУ-47Б; 2 - асфальтобетон мелкозернистый, толщина слоя 0,07м, каток ДУ-10А; 3 - асфальтобетон крупнозернистый, каток ДУ-47Б, толщина слоя 0,06 м. Рисунок 2.4 - Зависимости угла контакта вальца от модуля деформации и толщины уплотняемого слоя

Установлено, что угол контакта вальца, при постоянных параметрах силового воздействия на уплотняемый материал, в зависимости от модуля деформации уплотняемого материала, определяется по формулам: -для грунта |3 = 24,75 -5,691п Е;

- для мелкозернистой смеси Р = 24,53 - 5,021п Е; (2.3)

- для крупнозернистой смеси Р = 17,53 - 4,041п Е.

В зависимости от числа проходов катка (/V) величина относительного угла контакта вальца с уплотняемым материалом определяется:

а/р = 0,0126/и ТУ+ 0,47, (2.4)

По результатам моделирования взаимодействия вальца катка с уплотняемым материалом получены зависимости для определения коэффициентов сопротивления и сцепления вальцов катка в статическом и динамическом режимах работы с учётом параметров вибрации.

В третьем разделе исследовано влияние температуры на качество строительства дорожных покрытий из горячих асфальтобетонных смесей. Установлено, что расчет температурных режимов охлаждения горячих асфальтобетонных смесей необходимо производить по средней температуре слоя. Выяснено, что за среднюю температуру смеси может быть принята температура на расстоянии одной трети толщины слоя от уплотняемой поверхности.

В зависимости от принятой конструкции дорожное покрытие устраивается в один или два слоя. Рассмотрены расчетные модели конструкций дорог, которые представлены на рисунке 3.1.

Слой горячей асфальтобетонной смеси

Основание

Дополнительный слой основания |

Грунт

Верхний слой покрытия

Нижний слой покрытия

Основание

Дополнительный слой основания

Грунт

а б

а - однослойное покрытие; б - двухслойное покрытие; И - толщина слоя, м. Рисунок 3.1 — Расчетные схемы «покрытие-основание дороги»

Принятые расчетные модели представлены системой дифференциальных уравнений. С учетом допущений и данных экспериментальных исследований принимаем, что температура укладываемого слоя смеси и ее распределение в нижерасположенных слоях имеет одинаковое значение в двух плоскостях (х, г) в зависимости от различных факторов, практически в одной плоскости (у).

Поэтому решение данной задачи сводится к определению распределения температуры в одной плоскости:

Э/1/Эх = (Х,/сЛ)02^/ЭЛ2)Л >0,0<Л </),,/=1...5 (3.1)

где - температура в начале и на глубине слоя, °С; с - теплоемкость смеси, Дж/кг град; X - коэффициент теплопроводности смеси; г - время, ч; Ъ -толщина слоя, м; у - координатная ось.

Граничные условия приняты на основе допущений: - соблюдается условие конвективного теплообмена на границе верхнего слоя с окружающей средой

mlдy\h=o = o.[t(0■l.)-ta\, (3.2)

- условие равенства тепловых потоков на границах слоев имеет вид:

М0/Эу/и=*, = *./+1Э//+1/Эу|+, ;т>0;г' = 1...5 (3.3)

IУ1 I 1л=Л-+1=о

- условие на бесконечность, ограничивающее температуру в полупространстве, имеет вид:

'4

\У=»4=

< оо1

'('осн )>

1х=0 Уоснп (3.4)

где /г,- - толщины слоев дорожной конструкции, м; г — время, с; /в - температура воздуха, град; !осн - температура грунта на заданной глубине, °С; /(О/т) - температура смеси в момент укладки, °С; а - суммарный коэффициент теплоотдачи, Вт/м2К.

На рисунке 3.2 представлены результаты расчетов распределения температуры во времени и по толщине слоя. Установлено, что время остывания слоя асфальтобетонной смеси зависит от ряда факторов, к которым можно отнести толщину слоя смеси, температуры смеси, воздуха и основания, теп-лофизические свойства смесей, теплообмена на поверхности слоя, скорость ветра.

Температура, "С

80 100 120 Время, мин.

(а): 1 - на поверхности; 2 - на глубине 0,03 м; 3 - на глубине 0,045 м; 4 - на глубине 0,06 м; 5 - на глубине 0,1 м; 6 - на глубине 0,2; (б): 1 - через 5 мин; 2 - через 30 мин; 3 -через 60 мин; 4 - через 120 мин.

Рисунок 3.2 - Результаты расчета распределения температуры во времени (а) и по толщине слоя (б)

В четвертом разделе дается обоснование методики оценки прочности нежесткой дорожной одежды динамическим нагружением.

Требуемый модуль упругости дорожной одежды определяется

ЛАд = А + В

Оя;,

18 К

пМ°М-1)

где А - параметр, зависящий от типа покрытия и группы расчетной нагрузки; В - параметр, характеризующий влияние повторяемости нагрузки; N.. -суммарное количество автомобилей, приведенных к расчетному, прив.авт./сут.; Та - срок службы дороги, лет; д - средний ежегодный относи-

-1

(4.1)

тельный прирост интенсивности движения; пи - расчетное число испытаний дорожной одежды.

Требуемый модуль упругости дорожной одежды, прослужившей / лет, будет равен:

(4.2)

Етр,=А + В{18а,М-1)

Здесь, а, = -

дТсл _ 1

Выражение (4.2) позволяет определить величину требуемого модуля упругости в любой год службы покрытия (?) от начала сдачи его в эксплуатацию.

В процессе службы одежды в ней под воздействием повторяющихся нагрузок происходит накопление усталостных явлений, приводящих к снижению запаса работоспособности, что способствует образованию в завершающий период работы дорожной одежды определенных остаточных деформаций (трещин, неровностей и т.п.), вследствие чего снижается модуль упругости дорожной одежды. На рисунке 4.1 показана зависимость коэффициента снижения требуемого модуля упругости (К,) от относительного срока эксплуатации дорожной одежды (/„„,„).

1,0'

отн

1 - при <7=1,2, Л-5000 авт/сут. (нагрузка на ось 100 кН); 2-9=1,2 , N=100 авт/сут, 3 -д=1,02, N=5000 авт/сут; 4-д= 1,02, N=100 авт/сут. Рисунок 4.1 - Зависимость коэффициента снижения требуемого модуля упругости К{ от относительного срока эксплуатации дорожной одежды [опш

Проведение испытаний на каждой контрольной точке охватывает весь расчетный период ослабления дорожной одежды и позволяет построить график изменения модулей упругости (упругих деформаций) по дням. Испытания заканчиваются когда видна четкая тенденция стабилизации упругой деформации, свидетельствующая об окончании периода ослабления.

Когда на отдельных участках необходимо усиление существенно раньше истечения нормативного срока службы покрытия в рамках текущего и среднего ремонтов целесообразно довести уровень прочности отдельных

ослабленных мест до прочности, которой должна обладать одежда всей дороги или участка с определенной интенсивностью и составом движения в данный период эксплуатации с учетом понижения запаса работоспособности, который достаточен на оставшиеся годы службы одежды до очередного капитального ремонта или реконструкции.

С учетом указанных обстоятельств была разработана методика обработки результатов испытаний:

• вычисление для каждой точки испытаний величины расчетного модуля упругости существующей одежды;

• определение требуемого модуля упругости дорожной одежды;

• вычисление средних значений модулей упругости для данного массива с числом испытаний т (обычно в пределах однообразного участка);

• определение коэффициента вариации Се модулей в данном массиве из т испытаний;

• перебор массива модулей с вычислением их средних значений Ещ по малым накладывающимся выборкам с числом испытаний и„ в каждом из них;

• вычисление коэффициентов вариации модулей Спо каждой из малых накладывающихся выборок;

• объединение смежных малых выборок, отличающихся одна от другой по средним значениям модулей упругости не более чем на АЕ, и по величинам коэффициентов вариации СЕч, не более чем на ДСе,

• вычисление средних модулей упругости Есрп и коэффициентов вариации модулей по объединенным выборкам. Величину Еср0 можно рассматривать как средний расчетный модуль на участке, соответствующий объединенной выборке.

В пятой главе представлено экономико-математическое обоснование стадийного повышения эксплуатационно-экологического уровня лесовозных автомобильных дорог. Сформированы исходные данные для повышения экономических показателей эксплуатационного уровня лесовозных автомобильных дорог, оценено влияние дисперсии скоростей лесовозных автопоездов на эффективность их работы.

Модель оптимизации включает в себя постановку задачи, критерий ограничения и основные количественные зависимости. Задача состоит в следующем. На отрезке времени (О, Т) определяем такую последовательность эксплуатационно-экологического состояния (ЭЭС) системы, которая обращала бы в минимум принятый критерий в виде общепринятой целевой функции суммарных приведенных затрат.

Процесс поиска оптимального развития лесовозных автомобильных дорог состоит из нескольких этапов.

На первом этапе необходимо найти оптимальную стратегию развития дороги, соответствующую минимуму функционала (5.1)

h эп + э

/,=1 (l + E/i

g\

K2

| Э74 +3g2 |

(1 + E)'2 (l + E/i

+ ■

K„

T ЭТп+Э

(5.1)

-+ I

gn

-> mm

(1 + E)'n t„=1 (1 +£/' На втором этапе производится имитация эксплуатации каждого состояния во времени. Имитация производится вычислением суммарных затрат и выбором стратегии, которая дает их минимум. Для этого последовательность состояний изображается в виде сетки «состояние-время», где по горизонтальной оси откладываются годы, а по вертикальной - номера состояний, а стрелками обозначаются оптимальные годы переходов для пары состояний г nj (рисунок 5.1).

~~ Он,

t+2

i+1

TbQ

i-1

i-2

41.i1

('Hi

10(5=1

Годы

Рисунок 5.1 - Последовательность состояний. Пояснение выбора оптимального перехода в состояние /, j.

На рисунке 5.1 видно, что в состояние j возможны оптимальные переходы из пяти предыдущих состояний, дающие пять схем эксплуатации состояния j. Каждая схема обуславливает минимум затрат для пары состояний, но только одна схема перехода обуславливает минимум для состояния j. Эта схема и соответствующие ей характеристики ЭЭУ ЛАД, принимаются в дальнейших расчетах при обосновании перехода из состояния i в последующие.

Для реализации стратегии стадийного повышения эксплуатационно-экологического уровня лесовозных автомобильных дорог разработан алгоритм, представленный на рисунке 5.2, и программа, составленная на языке высокого уровня Object Pascal среды Delphi 6.0.

Программа состоит из нескольких подпрограмм: ввода исходных данных и подготовки к вычислениям; организации циклов; вычисление опти-

мального года перехода из предыдущего состояния в последующее; выбора оптимальной схемы перехода в последующее состояние.

При составлении программы для расчетов на ЭВМ были использованы зависимости, позволяющие более детально вычислять значения скорости движения и себестоимости вывозки древесины за счет введения более полных исходных данных.

Рисунок 5.2 - Укрупненная блок-схема алгоритма оптимизации развития ЛАД

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Разработаны модели взаимодействия жесткого вальца с материалом покрытия при статическом и динамическом режимах уплотнения и установлены параметры контакта вальца катка с учетом прочностных свойств материала.

2. Разработана математическая модель «покрытие-основание», описывающая параметры конструктивных слоев автомобильной дороги и позволяющая моделировать тепловые процессы, происходящие в дорожных одеждах из горячих асфальтобетонных смесей.

3. Разработана методика оценки прочности нежестких дорожных одежд динамическим нагружением, позволяющая определить модуль упругости дорожной одежды соответствующего моменту наибольшего снижения его прочности и определить величину требуемого модуля упругости в любой год службы покрытия.

4. Разработан алгоритм стадийного повышения эксплуатационно-экологического уровня лесовозных автомобильных дорог. Исследовано влияние природно-производственных условий и принятых геометрических и конструктивных элементов на эффективность лесовозных автомобильных дорог.

5. В работе даны практические рекомендации по использованию алгоритмов, программ при реализации мероприятий как по стадийному повышению эксплуатационно-экологического уровня, так и при строительстве и эксплуатации лесовозных автомобильных дорог.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ: В изданиях, определенных ВАК Минобрнауки России

1. Курьянов, В.К. Стадийное развитие лесовозных автомобильных дорог [Текст] / В.К. Курьянов, В.А. Допперт // Бюллетень транспортной информации (БТИ). Информационно-практический журнал. - №1 (163), январь 2009. -С.30-32 (личное участие 40 %).

2. Допперт, В.А. Влияние температуры на процессы строительства дорожных покрытий нежёсткого типа [Текст] / В.А. Допперт // Бюллетень транспортной информации (БТИ). Информационно-практический журнал. -№2 (164), февраль 2009. - С.31-33 (личное участие 100 %).

В статьях, материалах конференций

1. Курьянов, В.К. Управление дорожно-строительными потоками многоуровневых интегрированных структур в лесопромышленном комплексе [Текст]/ В.К. Курьянов, A.B. Скрыпников, A.C. Ярошутин, В.А. Допперт; ВГЛТА. - Воронеж, 2006. - 10 с. - Деп. в ВИНИТИ 26.06.2006, № 859-В2006 (личное участие 20 %).

2. Курьянов, В.К. Разработка теоретических основ и методов анализа снижения прочности модуля упругости дорожной одежды [Текст]/ В.К. Курьянов, A.B. Скрыпников, В.А. Допперт // «Математическое моделирование, компьютерная организация технологий, параметров оборудования и систем управления»: межвуз. сб. науч. тр.- Воронеж, 2007. - С.77-85 (личное участие 20 %).

3. Допперт, В.А. Анализ параметров катков с металлическим вальцом при уплотнении дорожных покрытий нежесткого типа [Текст] / В.А. Допперт // «Лес. Наука. Молодежь»: материалы по итогам научно-исследовательской работы молодых ученых ВГЛТА за 2007-2008 годы. - Воронеж, 2008. -С. 177-182 (личное участие 100 %).

4. Курьянов, В.К. Теоретические основы моделирования подсистемы «дорога-транспортные потоки» [Текст] / В.К. Курьянов, Е.В. Кондрашова,

В.А. Допперт; ВГЛТА. - Воронеж, 2009. - 28 с. - Деп. в ВИНИТИ 16.02.2009, № 76-В2009 (личное участие 30 %).

5. Допперт, В.А. Особенности строительства дорожных покрытий из горячих асфальтобетонных смесей [Текст] / В.А. Допперт, Е.В. Кондрашова; ВГЛТА. - Воронеж, 2009. - 39 с. - Деп. в ВИНИТИ 16.02.2009, № 77-В2009 (личное участие 50 %).

Просим принять участие в работе диссертационного совета Д 212.034.02 или выслать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу 394613, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8, ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия», ученому секретарю.

тел. 8-4732-57-72-40, факс 8-4732-53-84-61, 8-4732-53-76-51

Допперт Вячеслав Анатольевич

ТЕХНОЛОГИЯ СТАДИЙНОГО ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННО-ЭКОЛОГИЧЕСКОГО УРОВНЯ ЛЕСОВОЗНЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 24.04.09 Заказ № 387 Объем 1,0 уел п. л. Тир. 100 экз.

Отпечатано в РА «Оптовик Черноземья» г. Воронеж, ул. Ленина, 73

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННО-ЭКОЛОГИЧЕСКОГО УРОВНЯ ЛЕСОВОЗНЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ.

1.1 Анализ тртнспортно-технологических схем освоения лесных массивов.

1.2 Состояние теории и практики стадийного повышения эксплуатационно-экологического уровня лесовозных автомобильных дорог.

1.3 Цель и задачи исследования.

2 ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ УПЛОТНЯЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ ДОРОЖНОГО ПОКРЫТИЯ.

2.1 Влияние параметров катка и свойств уплотняемого материала на контактную поверхность вальца.

2.2 Анализ параметров катков с металлическим вальцом при уплотнении дорожных покрытий нежесткого типа.

2.3 Влияние параметров вибрации на ходовые качества уплотняющих машин.

2.4 Выводы.

3 ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА КАЧЕСТВО СТРОИТЕЛЬСТВА ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ ИЗ ГОРЯЧИХ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ.

3.1 Влияние температуры на процессы строительства дорожных покрытий нежесткого типа.

3.2 Моделирование тепловых процессов при строительстве дорожных покрытий из горячих асфальтобетонных смесей.

3.3 Влияние температуры на свойства асфальтобетонных смесей.

3.4 Влияние температуры на деформационно-прочностные характеристики асфальтобетонных смесей.

3.5 Выводы.

4 ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ПРОЧНОСТИ НЕЖЕСТКОЙ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ ДИНАМИЧЕСКИМ НАГРУЖЕНИЕМ.

4.1 Основные исходные закономерности.

4.2 Модули упругости, соответствующие периоду наибольшего ослабления дорожной одежды.

4.3 Исследование снижения модуля упругости дорожной одежды в процессе ее эксплуатации.

4.4 Основы методики оценки прочности нежесткой дорожной одежды.

4.5 Выводы.

5 ЭКОНОМИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СТАДИЙНОГО ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННО-ЭКОЛОГИЧЕСКОГО УРОВНЯ ЛЕСОВОЗНЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ.

5.1 Математическое представление экономических показателей эксплуатационной эффективности лесовозных автомобильных дорог.

5.2 Методика формирования исходных данных для повышения экономических показателей эксплуатационного уровня лесовозных автомобильных дорог.

5.2.1 Общие положения.

5.2.2 Определение затрат на дорожно-строительные работы.

5.2.3 Методика определения перспективной интенсивности движения.

5.2.4 Определение дорожно-эксплуатационныхрасходов.

5.2.5 Определение скорости движения лесовозных автопоездов.

5.2.6. Влияние дисперсии скоростей лесовозных автопоездов на эффективность их работы.

5.2.7. Исследование влияния продольного уклона на дисперсию скорости.

5.3 Обоснование стратегии стадийного повышения эксплуатационноэкологического уровня лесовозных автомобильных дорог.

Актуальность темы. Лесопромышленный комплекс является одним из наиболее сложных и крупных среди других производственно-хозяйственных и социально-экономических комплексов. Именно в нём период социально-политического переустройства России в наиболее острой форме выявил проблемы, обусловленные несовершенством основ организации и управления лесотранспортным процессом, а также проблемы, связанные со стабилизацией экономических отношений.

Развитие транспортно-дорожной сети - один из главных приоритетов в работе Правительства России. Об этом свидетельствует новая Федеральная целевая программа «Развитие транспортной системы-России на 2010-2015 годы», и принятая недавно «Транспортная стратегия» Российской Федерации на период до 2030 года. На первое место поставлены общесоциальные и общеэкономические стратегические целевые ориентиры, направленные на доступность и качество транспортных услуг, снижение аварийности, рисков и угроз безопасности по видам транспорта в загрязнении- окружающей среды.

Хорошие автомобильные дороги обеспечивают устойчивую работу всех звеньев лесозаготовительного производства. Это позволяет максимально использовать основные фонды, поднять уровень организации всего лесозаготовительного производства в целом, повысить эффективность развития российской экономики и, как следствие, увеличить конкурентоспособность российской продукции по отношению к зарубежной.

Одним из путей повышения эксплуатационных качеств автомобильных дорог является совершенствование технологий устройства асфальтобетонных покрытий. От качества выполнения процессов укладки и уплотнения горячих смесей зависит работоспособность дорожных покрытий в период эксплуатации автомобильных дорог.

Метод стадийного строительства больше всего применим для дорожной одежды, которую по мере роста интенсивности движения требуется усилить в целом по дороге, или на отдельных экономических перегонах в процессе нового строительства или при капитальном ремонте.

Указанное выдвигает рассматриваемую проблему в число важнейших народнохозяйственных и социальных задач, подчеркивая ее актуальность.

Цель и задачи исследования; Цель исследования состоит в разработке технологии повышения § эксплуатационно-экологического уровня лесовозных автомобильных: дорог на основе анализа и математического; моделирования s процессов их функционирования.

Исходя»из поставленной" цели, в диссертации решаются следующие основные задачи:

1. Разработать модели взаимодействия! жесткого: вальца с материалом покрытия! при статическом и динамическом: режимах: уплотнения: и установить параметры контакта вальца катка с учетом прочностных свойств материала:

2. Разработать? модель «покрытие-основание» для* моделирования- теплового процесса в дорожной одежде.

3. Разработать методику оценки: прочности нежёстких дорожных одежд.

4. Разработать алгоритм стадийного повышения эксплуатационно-экологического уровня лесовозных автомобильных дорог. V

Объектом исследования являются прочность дорожной одежды - и эксплуатационно-экологический уровень лесовозных автомобильных дорог.

Предметом исследования; являются математические модели; и методы стратегии повышения» эксплуатационно-экологического уровня; лесовозных автомобильных: дорог.

Методы исследования. Исследования? прочности^ дорожной одежды и повышение эксплуатационно-экологического уровня лесовозных автомобильных дорог проводятся с использованием методов динамического программирования, оптимизации процессов и исследования теории алгоритмов и структур данных.

Научная новизна результатов заключается в решении комплекса задач по повышению эксплуатационно-экологического-уровня лесовозных автомобильных дорог по результатам математического моделирования процесса функционирования лесовозных автомобильных дорог, с определением технико-экономических, энергетических, экологических показателей.

К числу важнейших результатов диссертации, обладающих научной новизной относятся следующие:

1*. Теоретическое обоснование параметров уплотняющего оборудования дорожного покрытия, отличающееся возможностью повысить прочность дорожных одежд на 4.8 %.

2. Аналитические зависимости теплофизических характеристик асфальтобетонных смесей от их состава и температуры, отличающиеся тем, что позволяют определить, предел прочности горячего асфальтобетона от технологических параметров процесса уплотнения:

3. Общие принципы методики оценки прочности дорожных одежд нежёсткого типа, отличающиеся тем, что позволяют выявлять участки наибольшего снижения прочности дорожной одежды.

4. Метод стадийного повышения эксплуатационно-экологического уровня лесовозных автомобильных дорог, отличающийся тем, что позволяет выявлять- участки с неудовлетворительными эксплуатационно-экологическими качествами на* основе анализа ДТП; показателей токсичности, различных дефектов.

На защиту выносятся:

1. Закономерности взаимодействия вальца катка с материалом, позволяющие оценивать его напряженное состояние в процессе уплотнения.

2. Математическая модель «покрытие-основание» параметров конструктивных слоёв лесовозных автомобильных дорог.

3. Методика оценки прочности нежёстких дорожных одежд динамическим нагружением.

4. Алгоритм повышения эксплуатационно-экологического уровня лесовозных автомобильных дорог в системе автоматизированного проектирования.

Практическая значимость и реализация результатов работы связана с использованием основных её положений:

- методика выбора параметров уплотняющих машин с учётом прочностных характеристик асфальтобетона;

- математическая модель «покрытие-основание», позволяющая регулировать процесс формирования макроструктуры дорожного покрытия в процессе строительства;

- закономерности для определения допустимого снижения требуемого модуля упругости в процессе эксплуатации дорожной одежды;

- рекомендации по .стадийному повышению эксплуатационно-экологического уровня лесовозных автомобильных дорог, позволяющие увеличить эффективность использования капитальных- вложений и управлять процессом развития дорог во времени.

Разработанные на основе полученных результатов математические модели, рекомендации, алгоритмы и программа для ЭВМ использовали: центр Дорожно-мостового проектирования «Магистраль» - при разработке проектов автомобильных дорог, ОАО «ВоронежГипродорНИИ» - при строительстве дорожных одежд нежёсткого типа.

Разработанные алгоритмы и программы используются в учебном процессе ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия», ГОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет» при подготовке инженеров лесотехнического профиля.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты исследований докладывались автором на ежегодных научно-технических конференциях ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» (2006, 2007, 2008 гг.).

Личное участие автора в получении результатов. Работа выполнена по программе ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» на 2000-2010 гг. (№ гос. регистрации 01.200103889). Разработана стратегия повышения эксплуатационно-экологического уровня лесовозных автомобильных дорог и методы оценки прочности дорожной одежды. Все работы по организации эксперимента, обработке данных, их анализ и математическое моделирование выполнены автором при консультации научного руководителя доктора технических наук, профессора Курьянова В.К.

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 7 научных работах, в том числе 2 работы, в изданиях, определенных ВАК Ми-нобрнауки РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников и приложений. Содержание диссертации изложено на 190 страницах печатного текста, 33 таблиц и 33 рисунках. Список использованных источников включает 162 наименования, в том числе 11 на иностранных языках. Приложение включает таблицы, акты и другие материалы по теме диссертации.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Разработаны модели взаимодействия жесткого вальца с материалом покрытия при статическом и динамическом режимах уплотнения и установлены параметры контакта вальца катка с учетом прочностных свойств материала.

2. Разработана математическая модель «покрытие-основание», описывающая параметры конструктивных слоев автомобильной дороги и позволяющая моделировать тепловые процессы, происходящие в дорожных одеждах из горячих асфальтобетонных смесей.

3. Разработана методика оценки прочности нежестких дорожных одежд динамическим нагружением, позволяющая определить модуль упругости дорожной одежды соответствующего моменту наибольшего снижения его прочности и определить величину требуемого модуля упругости в любой год службы покрытия.

4. Разработан алгоритм стадийного повышения эксплуатационно-экологического уровня лесовозных автомобильных дорог. Исследовано влияние природно-производственных условий и принятых геометрических и конструктивных элементов на эффективность лесовозных автомобильных дорог.

5. В работе даны практические рекомендации по использованию алгоритмов, программ при реализации мероприятий как по стадийному повышению эксплуатационно-экологического уровня, так и при строительстве и эксплуатации лесовозных автомобильных дорог.

1. Автомобильные дороги. Совершенствование методов проектирования и строительства Текст. / В.М. Сиденко, С.Т. Батраков, М.И. Волков и др. -Киев: 1973.-230с.

2. Агамизарян, Л.С. Анализ и построение диаграмм динамики транспортного потока на основе экспериментальных данных Текст. / Л.С. Агамизарян, Н.Ш. Никурадзе. Труды Грузинского политехнического института, 1976; №6 (188). - С.19-26.

3. Айталиев, Ш.А. Моделирование нестационарного температурного режима дорожных конструкций Текст. / Ш.А. Айталиев, Б.Б. Телтаев. Известия ВУЗов. Строительство, 2006, №8. - С.65-69.

4. Алябьев, В.И. Сухопутный транспорт леса Текст. / В.И. Алябьев, Б.А. Ильин, Б.И. Кувалдин. М.: Лесная промышленность, 1990. - 416 с.

5. Андреев, Г.С. Экспериментальные исследования комбинированного катка Текст. / Г.С. Андреев, В.Я. Балакирев. Труды ВНИИСтройдормаш. -М-.: 1985, №102. -С.62-68.

6. Андрейченко, Ю.Я. Кинетика остывания слоя асфальтобетона в процессе строительства покрытий Текст. / Ю.Я. Андрейченко, В.Н. Владимиров, В.И. Драбкин. Труды СОЮЗДОРНИИ. - М.: 1976, Вып.84. - С.143-153.

7. Апестин, В.К. Испытания и оценка прочности нежестких дорожных одежд Текст. / В.К. Апестин, A.M. Шак, Ю.М. Яковлев. М.: Транспорт, 1977.-102 с.

8. Апестин,- В.К. Расчет снижения модулей упругости нежестких дорожных одежд в процессе эксплуатации автомобильных дорог Текст. / В.К. Апестин, А.М. Шак, Ю.М. Яковлев. Труды ГипродорНИИ, 1974, Вып.8. -С. 120-135.

9. Артемьев, К.А. Дорожные машины. Машины для устройства дорожных покрытий Текст. / К.А. Артемьев. -М.: Машиностроение, 1982. 310 с.

10. Бабков, В.Ф. Дорожные условия и режимы движения автомобилей , Текст. / В.Ф. Бабков, М.Б. Афанасьев, А.П. Васильев. М.: Транспорт, 1967.- 227 с.

11. Бабков, В.Ф. Современные автомобильные магистрали Текст. / В.Ф. Бабков. М.: Транспорт, 1974. - 280 с.

12. Бабков, В.Ф.* Проектирование автомобильных дорог Текст. / В.Ф. Бабков, О.В. Андреев, М.С. Замахаев. -М.: Транспорт, 1979. 367 с.

13. Бадалов, В.В. Рациональная технология уплотнения асфальтобетонных. смесей Текст. / В.В. Бадалов, А.А. Шестопалов. — Автомобильные дороги, 1972, №6. С. 19.

14. Бадалов, В.В. Изменение температуры асфальтобетона в процессе уплотнения Текст. / В.В. Бадалов, А.Ф. Зубков. Автомобильные дороги, 1973, №9. -С.7.

15. Батраков, 0:Т. Приведение оценки прочности нежестких дорожных одежд к расчетному периоду Текст. / О.Т. Батраков; Ю.О. Балаценко. — Автомобильные дороги, 1984; №5 С. 13.

16. Бауман, В.А. Вибрационные машины и процессы в строительстве Текст. / В.А. Бауман, И.И. Быховский. М.: Высш. шк., 1977. - 253с.

17. Белан, А.А. Определение модуля упругости при обследовании дорожных одежд Текст. / А.А. Белан, Б.С. Радовский. — Автомобильные дороги, 1976, №10.-С. 6-7.

18. Белоусов, Л.И. Выбор способа уплотнения и ровность асфальтобетонных покрытий Текст. / Л.И. Белоусов, Н.Я. Хархута. Автомобильные дороги, 1974, №6. - С.20-21.

19. Вельский, А.Е. Расчеты скоростей движения на автомобильных дорогах Текст. / А.Е. Бельский. М.: Транспорт, 1966. — 122 с.

20. Бельский, А.Е. Уравнение движения автомобиля на вертикальной кривой Текст. / А.Е. Бельский. Труды Харьковского автомобильно-дорожного института, 1956, вып. 19. — С. 85-92.

21. Бибик, П.М. Определение основных параметров вибрационных катков статистическими* методами Текст. / П.М. Бибик, Е.Б. Ильев — Автомобильный транспорт и,дороги: сб. — Киев: 1970. — С.96.

22. Бируля, А.К. Влияние интенсивности автомобильного движения'на его скорость Текст. / А.К. Бируля. — Труды Харьковского автомобильно-дорожного института, 1957, вып. 19. С. 15-22.

23. Бируля, А.К. Методы исследования движения на автомобильных дорогах Текст. / А.К. Бируля: Труды Харьковского автомобильно-дорожного института, 1954, №17.— С. 13-33.

24. Бируля, А.К. Исследование закономерностей автомобильного г движения для установления расчетных характеристик проектируемых дорог Текст. / А.К. Бируля. Труды Харьковского автомобильно-дорожного института, 1962, вып.9. - С. 8-20.

25. Бируля, А.К. Работоспособность дорожных одежд Текст. / А.К. Бируля, С.М. Михович. М".: Транспорт, 1968. - 172с.

26. Блехман, И.И. Вибрационные перемещения Текст. / И.И. Блехман, Г.Ю. Дженалидзе. -М*.: Наука, 1964. 374с.

27. Богословский, В.Н. Строительная теплофизика Текст. / В.Н. Богословский: М.: Высш. шк., 1970. - 374с.

28. Богуславский, A.M. Дорожные асфальтобетонные покрытия Текст. / А.М: Богуславский. М.: Высш. шк., 1965. — 115с.

29. Быховский, И:И. Основы, теории вибрационной техники Текст.f / И.И. Быховский. -М.: Машиностроение, 1969. 348с.

30. Варганов, С.А. Установление рациональных режимов работы самоходных виброкатков Текст. / С.А. Варганов. Строительство и дорожные машины, 1958, №10. — С.10-11.

31. Великанов, Д.П. Эксплуатационные качества автомобиля Текст. / Д.П. Великанов. -М.: Транспорт, 1969. — 233 с.

32. Водно-тепловой режим земляного полотна и дорожных одежд Текст. / Под ред. Н.А. Пузакова, И.А. Золотаря, В.М. Сиденко [и др.] М.: Транспорт, 1971. - 416с.

33. Вибрационные катки и виброплиты, выпускаемые фирмами ФРГ Текст.,/ НИИСтройдоркоммунмаш: — М.: 1967. 38с.

34. Гезенцвей, Л.Б., Дорожный асфальтобетон Текст. / Л.Б. Гезенцвей. М.: Транспорт, 1976. - 320с.

35. Грубник, Г.А. Рациональные границы и пути расширения области применения вибрационного метода уплотнения грунтов Текст. / Г.А. Грубник. Труды ЛКВВИА*им. А.Ф. Можайского, 1958, №230. - С. 54-58.

36. Говорущенко, Н.Я. Основы теории эксплуатации автомобиля Текст. / Н.Я. Говорущенко. М.: Высшая школа, 1971. - 232 с.

37. Допперт, В.А. Влияние температуры на процессы строительства дорожных покрытий нежёсткого типа Текст. / В.А. Допперт-// Бюллетень транспортной информации (БТИ). Информационно-практический журнал. -№2 (164), февраль 2009. С.31-33.

38. Допперт, В.А. Особенности строительства дорожных покрытий из горячих асфальтобетонных смесей Текст. / В.А. Допперт, Е.В. Кондрашова; ВГЛТА. Воронеж, 2009: - 39 с. - Деп. в ВИНИТИ-16.02.2009; № 77-В2009.

39. Дороги и транспорт лесной промышленности Текст. / под ред. проф. И.И! Леоновича. Минск: Высшая школа, 1979. - 415 с.

40. Дрю, Д. Теория транспортных потоков и управление ими Текст. / Д. Дрю. -М.: Транспорт, 1972. 424 с.

41. Дубков, В.В. Исследование кинетики нагревания рабочих органов катков в процессе уплотнения асфальтобетонной смеси Текст. / В.В. Дубков, В.Б. Пермяков. Известия ВУЗов. Строительство, 2005, №3. - С.91-96.

42. Дубелир, Г.Д. Проектирование автомобильных дорог Текст. / Г.Д. Дубелир. М.: Дориздат, 1963. - 400 с.