автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Выбор рациональных режимов работы вибрационных катков при уплотнении асфальто-бетонных смесей

На правах рукописи

Прусов Андрей Юрьевич

I

ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ВИБРАЦИОННЫХ КАТКОВ ПРИ УПЛОТНЕНИИ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ.

05.05.04-Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА-2003

I

На правах рукописи

Прусов Андрей Юрьевич

ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ВИБРАЦИОННЫХ КАТКОВ ПРИ УПЛОТНЕНИИ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ.

05.05.04-Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 2003

Работа выполнена в Ярославском государственном техническом университете.

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Герман Николаевич Попов

кандидат технических наук, доцент Евгений Константинович Чабуткин

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Сергей Николаевич Иванченко кандидат технических наук Александр Владимирович Телушкин

Ведущая организация: ГУЛ «СОЮЗДОРНИИ»

Защита состоится « 16 » мая 2003 года в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 303.018.01 при ОАО «Научно-исследовательский институт транспортного строительства», 129329, Москва, ул.Кольская, дом 1 (ОАО ЦНИИС).

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ОАО «Научно-исследовательский институт транспортного строительства».

Автореферат разослан "14 й апреля 2003г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, к.т.н. с Ж.АЛетрова

рос национальная I

библиотека i С-Петервург л л |

08 И^шДОЦ

Общая характеристика работы.

Актуальность работы.

Эффективность работы уплотняющей техники и ее производительность зависят от строительных свойств уплотняемого материала, требований к качеству уплотнения, технологии производства работ по устройству дорожного покрытия, обоснованного выбора средств уплотнения и технологических режимов производства работ.

При устройстве асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог большое распространение получили вибрационные катки. Однако, их эффективное применение существенно зависит от правильно выбранных и четко назначенных технологических параметров.

Полученная математическая модель процесса уплотнения асфальтобетонных смесей вибрационными катками и построенная на ее основе методика расчета рациональных технологических параметров вибрационных катков позволяет определить рациональный режим работы для конкретных условий эксплуатации без проведения пробной укатки. Реализация этой методики на практике позволяет существенно снизить сроки и повысить качество выполняемых работ.

Цель работы. Повышение производительности и эффективности работы вибрационных катков путем определения рациональных режимов работы на этапе эксплуатации.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

- разработана математическая модель процесса деформирования слоя асфальтобетонной смеси с учетом изменяющихся во времени характеристик уплотняемого материала;

- выполнен анализ математической модели и экспериментально определены коэффициенты температурного сдвига и коэффициенты подобия;

- разработана инженерная методика определения рациональных режимов работы вибрационных катков

- проведена экспериментальная проверка инженерной методики в реальных условиях эксплуатации при строительстве участка автодороги.

Научная новизна. На защиту выносятся следующие наиболее существенные результаты, определяющие научную новизну:

- аналитическое описание процесса уплотнения асфальтобетонной смеси на основе принципа накопления деформации теории ползучести;

- описаны процессы деформирования асфальтобетонной смеси при температурах до 100°С и свыше 100°С математическими зависимостями с использованием аппарата теории ползучести;

- получена обобщенная аналитическая зависимость, учитывающая изменение модуля упругости в зависимости от исходного коэффициента уплотнения с учетом температурного фактора, значения коэффициентов подобия и температурного сдвига;

- разработана методика расчета рациональных технологических параметров вибрационных катков.

Практическая ценность работы

Разработана инженерная методика по выбору рациональных режимов работы вибрационных катков на стадии эксплуатации, реализованная в виде программного комплекса. Эффективность применения данного комплекса подтверждается проверкой на объектах строительства автодорог, проводимых Российско-британской компанией «Ярдор-Тармак». При этом время цикла уплотнения сокращается до 15% при соответствующем качестве уплотнения.

Кроме того, разработанный программный комплекс позволяет осуществлять подбор парка катков при выполнении конкретных видов работ.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается: Анализом полученной математической модели, позволяющим сделать вывод об адекватном отражении процесса деформирования слоя асфальтобетонной смеси при различных условиях уплотнения; качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными; результатами полевых испытаний и внедрением в производство.

Реализация работы. Разработанная инженерная методика и основные результаты работы реализованы в программном комплексе ROAD для выбора ра-

4

циональных технологических параметров дорожных катков и указателе режима работы УРР-4, переданных Рыбинскому заводу дорожных машин «Раскат» для модернизации существующих дорожных катков, и совместному Российско-Английскому предприятию "Ярдор-ТАРМАК" для определения технологических параметров катков в конкретных условиях эксплуатации.

Результаты диссертационной работы использованы также в учебном процессе Ярославского государственного технического университета.

Апробация работы.

Основные положения и результаты выполненных исследований докладывались на республиканской научно-технической конференции в Санкт Петербурге (1995), международной конференции "Развитие строительных машин, механизации, автоматизации строительства и открытых горных работ" (Москва 1996), Межвузовской региональной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов (Ярославль, 1997), XIX научно-методической конференции Ярославского государственного технического университета (Ярославль, 1998), на семинарах кафедры "Строительные и дорожные машины" Ярославского государственного технического университета, а также в научно-исследовательских работах, выполняемых по госбюджетной программе "Создание комплексной системы качественного уплотнения дорожно-строительных материалов" (1995-1997гг.) и "Математическое моделирование совмещенных процессов в химических технологиях; разработка автоматизированной системы управления в процессах деформирования и разрушения" (1998-2000гг.).

Публикации. Основное содержание работы отражено в 10 работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Содержит 172 страницы машинописного текста, 76 страниц иллюстраций и таблиц, список литературы из 104 названий на 10 стр.

Содержание работы.

Во введении определена цель, показана важность и актуальность проблемы, решению которой посвящена диссертационная работа. Изложены вопросы практической значимости результатов исследования. Представляются основные положения выносимые на защиту.

Первая глава, посвящена изучению состояния проблемы и формулирования цели и задач исследования.

Диссертационная работа выполнена на основе теоретических положений и экспериментальных исследований таких ученых, как: Н.Я.Хархута, Г.Н.Попов, Н.Н.Иванов, А.Я.Калужский, Д.Д.Баркан, М.П.Костельов, С.Н.Иванченко, А.А.Шестопалов, И.П.Петров, А.В.Телушкин, В.П.Ложечко, Э.И.Деникин, Л.Б.Гезенцвей, А.А.Иноземцев, И.М.Руденская, А.В.Руденский, Т.Н.Сергеева, А.Я.Башкарев, Е.Л.Стефанюк, С.С.Процуто, М.М.Посадский, Н.Я.Лобзов, Н.В.Горелышев, С.А.Варганов, А.Ф.Зубанов, Ю.Я.Коваленко, В.Н.Кононов, С.К.Носков, А.М.Холодов.

Отмечается, что при достаточно высоком уровне техники, дорожное строительство столкнулось с большой проблемой, связанной с технологией строительства автодорог, а именно с проблемой выбора и реализации рационального (наилучшего) режима работы вибрационных катков. Этот «наилучший» режим работы может быть выбран путем определения рациональных технологических параметров катков, которые позволяют при условии максимальной производительности выполнить задание с необходимым качеством.

В результате теоретического исследования работ было установлено, что создаваемая методика выбора оптимальных технологических параметров вибрационных катков должна учитывать изменение напряженно-деформированного состояния уплотняемого материала, его физико-механические свойства, условия окружающей среды и характеристики уплотняющей машины.

Способность к .уплотнению асфальтобетонных смесей обуславливается их физико-механическими свойствами, а сама асфальтобетонная смесь представляет собой сложный по структуре упруго-вязкопластичный материал с нестабильными

характеристиками, и в напряженно-деформированном состоянии проявляет комплекс сложных свойств: упругость, пластичность, ползучесть, релаксацию напряжений, изменение прочности в зависимости от скорости деформирования, накоплений деформаций при многократных приложениях нагрузки и т.д. Отмечается, что Л.Б.Гезенцвей, Н.Я.Хархута, А.Я.Коваленко, Е.Л.Стефанюк, С.Н.Иванченко обращали внимание на то, что применение к асфальтобетону теории ползучести оказывается плодотворным. Обосновывалось это тем, что теория ползучести в отличие от теории упругости и теории пластичности оперирует дополнительно независимой переменной - временем. Более того, теория ползучести позволяет представить процесс деформирования в объеме, а не на плоскости как это происходило ранее. Этот фактор важно учитывать, так как температура асфальтобетонной смеси является величиной изменяющейся во времени, что, в конечном итоге, приводит к непостоянству характеристик смеси и напряжений.

Проведенный анализ состояния вопроса уплотнения асфальтобетонной смеси позволил определить, что вибрационные катки - эффективное средство для уплотнения асфальтобетонных смесей, однако, эффективное применение вибрационных катков зависит от четких рекомендаций по рациональным режимам их использования (необходимость в этом продиктована повышенными требованиями международных стандартов к качеству строительства автомобильных дорог).

Показано, что для достижения поставленной цели необходимо: провести теоретические исследования процесса деформирования слоя асфальтобетонной смеси при изменяющихся во времени нагрузках и характеристик материала для получения расчетных зависимостей по нарастанию плотности во времени; построить и проанализировать математическую модель процесса уплотнения асфальтобетонной смеси; экспериментально установить деформативные характеристики слоя асфальтобетонной смеси в широком температурном диапазоне с учетом временной характеристики; провести экспериментальные исследования для проверки и уточнения расчетных зависимостей, полученных теоретическим путем; на основе математической модели и результатов эксперимента, с учетом результатов известных исследований разработать методику выбора рациональ-

ных технологических параметров вибрационных катков с соответствующим алгоритмом расчета и последующей реализацией в виде программного обеспечения.

Во второй главе обоснована концепция применения теории ползучести к процессам уплотнения асфальтобетонной смеси и представлены результаты теоретических исследований ползучести материалов.

Технологию уплотнения асфальтобетонной смеси вибрационными катками можно представить следующим образом. По слою асфальтобетонной смеси наносится ряд последовательных воздействий до достижения требуемой плотности. Полная деформация будет равна сумме деформаций после каждого воздействия, то есть принимается ступенчатая схема нагружения - где одна ступень нагруже-ния соответствует одному проходу виброкатка по пятну контакта. Причем свойства материала в момент конца уплотнения предыдущего воздействия будут оказывать влияние на эффект уплотнения при последующем воздействии.

Было сделано допущение о том, что нагружение происходит мгновенно. Изменение деформации в асфальтобетонной смеси при ст=соп51 носит ограниченный характер и кривая ползучести в момент времени I включает значения упругой

деформации вязкоупругой е„у и пластической ер, 8(1)=8у+£ву+8р (рис.1).

В случае деформирования единичного объема асфальтобетонной смеси силой, действующей вдоль оси ОХ (рис.2) из компонентов тензора напряжений а>ц*0, а остальные равны нулю Ст22=сгзз=0. При этом общее напряжение а=]/3аи, а величина объемной деформации у=£п+£22, (£22=£зз) и тогда уравнение объемной ползучести примет вид:

&(1) = 3еп + 6е22 = \п9{( - ^г)

где Ец-ёх, Е22»£у - величины продольной и поперечной деформаций, возникающих в результате действия напряжения ст1 |Яох

Связь отношений величин Ец и е22 выражается через, исследованные ранее другими авторами, физико-механические характеристики асфальтобетонной смеси.

8

Установлено, что поведение асфальтобетонной смеси во время уплотнения во многом определяется ее температурой.

Так, для асфальтобетонных смесей прослеживается тенденция, при которой можно условно определить две области уплотнения - до 100°С и выше 100°С. При этом, можно отметить, что при температуре выше 100°С (Т>100°С) кривые ползучести практически для любой асфальтобетонной смеси не большой толщины укладываются в узкий пучок кривых, а значения деформаций ползучести асфальтобетонной смеси при температуре ниже 100°С (Т<100°С) имеют разный характер. Следовательно, необходимо обязательно учитывать температуру асфальтобетонной смеси для описания процесса деформирования асфальтобетонной смеси.

Свойство подобия кривых ползучести при деформировании асфальтобетонной смеси позволило определить, что любую кривую можно совместить с другой, если изменить ее ординаты е(0 на некоторое число у, называемое коэффициентом по-

Проведенный эксперимент, а также исследования других авторов говорят о том, что диаграммы ползучести, при различных температурах, располагаются тем выше, чем ниже температура. Предлагаемая темпера-турно-временная аналогия позволяет учесть влияние температурного режима на процесс уплотнения асфальтобетонной смеси путем введения коэффициента, учитывающего температурный «скачок» - коэффициент температурного сдвига а?.

добия.

езз

/ -ТУ

...у..

)

▼е„

Рисунок 2 - Схема деформирования единичного объема асфальтобетонной смеси.

Таким образом, окончательное выражение для определения деформаций асфальтобетонных смесей, будет выглядеть: /

В своих трудах Л.Б.Гезенцвей установил, что для асфальтобетонов, в случаях, когда действующее напряжение превышает предел текучести, но меньше предельного напряжения, вызывающего разрушение материала, остаточная деформация равна скорости ползучести умноженная на время, в течение которого действовала нагрузка (рис.1).

Учитывая то, что при уплотнении асфальтобетонных смесей дорожный каток совершает ряд проходов, то суммарная деформация после каждого прохода будет нарастать.

С учетом изложенного, применяя математический аппарат теории ползучести была разработана математическая модель процесса уплотнения и реализована на ЭВМ. Основные этапы расчета которой показаны на рис.3.

Таким образом, теоретические исследования позволили сделать следующие выводы:

процесс деформирования асфальтобетонной смеси хорошо описывается теорией ползучести, при этом имеется возможность учета накопления деформации во времени с учетом нестационарных процессов, происходящих в асфальтобетонной смеси. В результате можно построить не плоскостную картину деформирования, а объемную, что особенно важно при уплотнении материала небольшими слоями штампом с опорной поверхностью сложной конфигурации;

выявлено, что при температурах менее 100°С в существенной мере проявляются не линейные свойства. При этом удалось описать эти процесса при помощи одних и тех же зависимостей;

еос где е =

¿е Л

в математической модели процесса деформирования асфальтобетонной смеси используются те же самые характеристики, которые используются и в ранее предлагаемых моделях. Таким образом, при реализации разработанной в данной работе модели в качестве исходных характеристик можно применить данные экспериментальных исследований, полученных другими авторами;

В третьей главе приведены материалы экспериментального изучения процесса ползучести асфальтобетонной смеси, с целью проверки и уточнения основных теоретических положений.

Экспериментальные работы проводились в два этапа. Первый - лабораторный, проводился для исследования про-

Рисунок 3 - Этапы расчета по математической модели и

программному комплексу «ROAD". цесса нагружения

асфальтобетонной смеси, определения и уточнения недостающих параметров, таких как - модуль упругости Е, коэффициенты подобия \|/, коэффициентов температурного сдвига а для дальнейшего их использования в теоретических зависимостях. Второй - производственный, имел целью проверку соответствия между теоретическими и реальными положениями.

Для определения модуля деформации были проведены опыты на экспериментальном стенде с асфальтобетонной смесью. По полученным из эксперимента диаграммам строилась зависимость модуля деформации от коэффициента уплотнения (рис.4): Е=140,86-397,9 • К^ + 283,3 • (К^)2.

Рисунок 3 - Этапы расчета по математической модели и программному комплексу «ROAD".

Анализ экспериментальных данных, позволил сделать выводы о характере изменения деформаций: деформация асфальтобетонной смеси тем выше, чем больше ее температура; модуль деформации Е возрастает с уменьшением температуры; зависимость изменения модуля деформации от температуры и плотности асфальтобетона носит нелинейный характер;

Модуль деформации, МПа И

: » ^^^^^ -

—■С" м : м 1

0,7 0,75 0,8 -Коэффициент уплотнения Рисунок 4 - Зависимость модуля деформации от коэффициента уплотнения.

Проверка достоверности результатов, полученных на основе проведенного эксперимента, осуществлялась путем сравнения их с ранее известными исследованиями. Эксперимент показал хорошую сходимость результатов.

Для определения свойств ползучести асфальтобетонной смеси, характерных для условий начала уплотнения, исследования проводились в диапазоне температур от 80°С до 130°С при коэффициенте уплотнения от 0,8 до 0,9.

Условий подобия кривых ползучести позволило совместить любую из кривых с другой, уменьшив ее ординату на некоторое число у (коэффициент подобия), зависящее от контактных напряжений. Определение коэффициентов подобия производилось экспериментально в диапазоне температур 60-120°С и Ку=0,75-0,85. Полученные данные хорошо согласуются с результатами 12

Табл.1 -Значения коэффициентов подобия.

Температура а/б смеси,"С Действующее напряжение а, Мпа

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

120 0,51 0,63 0,75 0,9 1,0

110 0,45 0,59 0,75 0,86 1,0

100 0,43 0,55 0,71 0,82 1,0

90 0,38 0,48 0,62 0,78 1,0

80 0,33 0,55 0,65 0,84 1,0

70 0,32 0,48 0,65 0,79 1,0

60 0,32 0,42 0,60 0,79 1,0

эксперимента, проведенным ранее С.Н.Иванченко. Обобщенные данные по коэффициентам подобия приведены в табл.1. По этой же схеме определялась темпера-турно-временная аналогия. За базовую температуру бралась температура Т=120°С. Используя графики, построенные при разных температурах Ть Т2, Т3,...,Т1 находился коэффициент температурного сдвига, который можно отобразить графически и выразить математически: <^=25,069+163,85 -69,558- (Та6с)2

В целом по третьей главе можно-сделать следующие выводы: в результате •проведенных экспериментальных исследований изучены влияния мгновенного режима нагружения, и нагружения протяженного во времени на изменение основных характеристик асфальтобетонной смеси (Е, б) с учетом температурного фактора; получена обобщенная аналитическая зависимость, учитывающая изменения модуля упругости в зависимости от исходного коэффициента уплотнения; изучен процесс накопления деформаций в слое асфальтобетонной смеси при различных видах нагружения с учетом температурного фактора в результате обработки, которых получена зависимость для определения коэффициента температурного сдвига, что, позволяет совместить различные деформационные кривые и описывать их единой аналитической зависимостью; полученные значения коэффициентов температурного сдвига и коэффициентов подобия позволили отобразить их едиными математическими зависимостями, что значительно облегчает использование разработанной ранее методики при изменяющемся температурном поле.

В четвертой главе - на основании теоретических положений и математической модели процесса уплотнения асфальтобетонной смеси, предложена инженерная методика выбора рациональных режимов параметров вибрационных катков.

Методика заключается в следующем: все факторы, влияющие на процесс уплотнения, разбиты на две группы (табл.2).

В первую группу входят, так называемые "расчетные исходные параметры", определяемые расчетным путем на основе конкретных условий эксплуатации, а именно: модуль деформации, температурно-временная аналогия, объемный модуль упругости и ряд других параметров.

I-группа II-группа

Известные факторы или, неуправляемые параметры (У). • Тип уплотняемого асфальтобетона; • Температура асфальтобетона при уплотнении (1в); • Толщина уплотняемого слоя (Нущ); • Исходный и требуемый коэффициенты уплотнения грунта (К*1, К41); • Конструктивные параметры катка, которые в процессе эксплуатации не могут быть изменены (в.); • Размеры рабочего участка, т.е. его длина 1, и ширина В. Управляемые параметры (X), т.е. те, которые можно менять по своему усмотрению, и от которых зависит результат операции. • Частота колебаний вибровальца на каждом проходе («¡). • Скорость перемещения катка на каждом проходе (V) (в зависимости от конструкции катка величина дискретная или непрерывная).

У = [Т. Нуп» Ку, 85«, Ц В] - вектор неуправляемых параметров. X = [»¡, У;, ¡=1, Ыц,] - вектор управляемых параметров.

Наложенные ограничения (б) о5[о] Обычно Юи&огЗ». и Уря^У^Ур., где •»»«оьУрпУр« ~ соответственно нижняя и верхняя границы регулирования параметров (частоты и скорости).

За показатель эффективности катка принята его производительность, которая будет зависеть от обеих групп факторов, т.е.

<3 = Р(¥,Х,0) (1)

На решаемую задачу накладывается функциональное ограничение (в) -число проходов катка по одному следу должно обеспечивать достижение требуемого коэффициента уплотнения по всей глубине слоя асфальтобетона, т.е.

Ыпр= ОСГД^Ы'пр, (2)

где N „р - минимальное число проходов, обеспечивающее требуемое уплотнение асфальтобетона при заданных параметрах У и X.

Окончательно задача поиска рациональных параметров виброкатка может быть сформулирована следующим образом:

При заданном комплексе условий У найти такое решение X = X*, которое обращает показатель эффективности в максимум

()* = тахР(У,Х,0) (3)

т.е. частоту колебаний вибровальца и скорость катка на каждом проходе следует выбрать таким образом, чтобы производительность для принятых конкретных условий работы была максимальной. При этом необходимо обязательное

14

выполнение условия (2), т.е. число проходов катка по одному следу должно обеспечивать достижение требуемой плотности по всей толщине слоя асфальтобетона. От числа воздействий рабочего органа легко перейти к требуемому числу проходов вибрационного катка, используя функциональную зависимость, существующую между числом проходов машины и скоростью ее перемещения, т.е.

= [N./N8,1 + 1, (4)

N„p - требуемое число проходов машины; N, - суммарное число воздействий рабочего органа на единичный объем материала до достижения им требуемой плотности; Nbi - число воздействий рабочего органа на единичный объем материала за один проход машины.

Число воздействий Nbi функционально зависит от скорости перемещения машины, т.е.

N.=f(Y,V), (5)

где у - вектор параметров, от которых зависит число воздействий рабочего органа на единичный объем материала (например, размер ширины пятна контакта вальца с уплотняемым материалом).

Технологические параметры катка рассчитываются в последовательности, показанной на рис 5, 6. Реализация инженерной методики на ЭВМ была осуществлена на языке ФОРТРАН. Программа разбита на 3 блока в соответствии с математической моделью (рис.3).

Разработанная программа легла в основу программного комплекса «ROAD», позволяющего: вычислить требуемое число проходов виброкатка для достижения заданной плотности; дать рекомендации по выбору скорости катка на каждом проходе; определить суммарное время работы катка для уплотнения заданного участка; рассчитать производительность катка и объем уплотненного грунта и асфальтобетона; распечатать сменное задание для машиниста катка. Подобная программа закладывалась в микропроцессорный прибор - указатель режима работы УРР-4, предназначенного для выбора, контроля и отображения режимов работы дорожных катков при уплотнении грунтов и асфальтобетонных покрытий в процессе работы машины.

С КОНЕЦ "**)

Рис. 5. — Блок-схема расчета технологических параметров вибрационного катка (РШВАБ)

Рис. 6. — Блок-схема определения деформативных свойств асфальтобетонной смеси (TIPAS)

Проверка разработанной методики в условиях эксплуатации осуществлялась на строительстве участка дороги Ярославль - Рыбинск. Результаты расчета по разработанной методике хорошо согласуются с полученными в производственных условиях экспериментальными данными. Сходимость результатов достигает 95 %. Акты внедрения подтверждают эффективность применения инженерной методики.

Был установлен уточненный температурный интервал и границы перехода от уплотнения легким катком к уплотнению более тяжелым.

Полученные результаты (режимы работы) назначались в качестве задания для работ на реальном объекте. После уплотнения верхнего слоя асфальтобетонной смеси и ее остывания брались вырубки и определялся коэффициент уплотнения. Лабораторный анализ показал, что во всех случаях был достигнут требуемый коэффициент уплотнения. В результате, для достижения той же самой плотности нам удается значительно сократить число проходов уплотняющей техники, а суммарное время уплотнения на 20% при экономии горюче-смазочных материалов. Основные выводы по диссертации.

1. Асфальтобетонная смесь представляет собой сложный по структуре упруго-вязкопластичный материал с нестабильными характеристиками, что усугубляется существенным влиянием изменения температурного фактора во времени.

2. На основе теории ползучести разработана математическая модель процесса объемного деформирования асфальтобетонной смеси с использованием принципа температурно-временной аналогии, который позволил решать задачи по деформированию асфальтобетонной смеси в нелинейной области.

3. Установлено, что свойства асфальтобетонной смеси сильно зависят от ее температурного состояния. При этом асфальтобетонная смесь при температурах свыше 100°С можно описать линейными математическими зависимостями, а при более низких температурах в существенной мере проявляются не линейные свойства.

4.В результате проведенных экспериментальных исследований изучены влияния мгновенного режима нагружения, и нагружения протяженного во времени на из-

менение основных характеристик асфальтобетонной смеси (Е, е) с учетом температурного фактора.

■ Получена обобщенная аналитическая зависимость, учитывающая изменения модуля упругости в широком диапазоне коэффициента уплотнения.

■ Изучен процесс накопления деформаций в слое асфальтобетонной смеси при различных видах нагружения с учетом температурного фактора.

■ Получен коэффициент температурного сдвига, позволяющий совместить деформационные кривые и описывать их единой аналитической зависимостью.

5. Анализ полученной математической модели и сравнение расчетных данных с экспериментальными позволяет сделать вывод об адекватном отражении процесса деформирования слоя асфальтобетонной смеси при различных условиях уплотнения в нестационарных тепературных режимах.

6. На основании теоретических положений и математической модели процесса, разработана инженерная методика выбора рациональных технологических параметров вибрационных катков при уплотнении асфальтобетонных смесей.

7. Определены и уточнены значения коэффициентов подобия, позволившие получить единую математическую зависимость при расчете деформаций в слое асфальтобетонной смеси, что значительно облегчает использование разработанной методики при инженерных расчетах.

8. На основе инженерной методики разработаны: программный комплекс для выбора рациональных технологических параметров дорожных катков «ROAD»; Указатель режима работы УРР-4, которые прошли проверку на следующих предприятиях: Российско-британской компании «Ярдор-Тармак» и Рыбинском заводе дорожных машин «Раскат».

По материалам диссертации опубликованы работы:

1. Г.Н.Попов, Е.К.Чабуткин, А.Ю.Прусов, "Повышение качества уплотнения оснований и покрытий в дорожном строительстве", "Механизация строительства". -1995.- №3. -С.14-16.

2. Г.Н.Попов, Е.К.Чабуткин, А.Ю.Прусов, Новый подход к обеспечению качественного уплотнения асфальтобетонных покрытий", "Строительные и дорожные

машины и их использование в современных условиях" Сб.док. республ. н.-т. конференции, СПГТУ, Санкт-Петербург, 1995, с.147-148.

3. Г.Н.Попов, Е.К.Чабуткин, А.Ю.Прусов Рациональные технологические параметры новых уплотняющих машин Рыбинского АО "РАСКАТ", Тезисы Меж-дунар.конф/'Развитие строительных машин, механизации, автоматизации строительства и открытых горных работ", Москва, 1996

4. Г.Н.Попов, Е.К.Чабуткин, П.Н.Савватеев, А.Ю.Прусов "Анализ состояния уплотняющей техники в России" Тезисы Междунар.конф."Развитие строительных машин, механизации, автоматизации строительства и открытых горных работ", Москва, 1996

5. А.Ю.Прусов, С.Г.Назаров Статистический анализ технологических параметров процесса уплотнения асфальтобетона вибрационными катка-ми.Тез.докл.Межвуз.региональной научно-технической конф.молодых ученых, аспирантов и докторантов, ЯП У, Ярославль, 1997, с. 101

6. А.Ю.Прусов, Е.К.Чабуткин Определение режимов работы дорожных катков при уплотнении асфальтобетонных покрытий. Тез.докл.Межвуз.региональной научно-технической конф.молодых ученых, аспирантов и докторантов, ЯГТУ, Ярославль, 1997, с.96

7. Прибор для бесконтактного замера температуры асфальтобетона, Ин-форм.листок N132 ЯрЦНТИ, 1996 КрайновА.А, Разумов.С.В , Чабуткин Е.К., Прусов А.Ю.

8 Корольков A.C., Чабуткин Е.К., А.Ю.Прусов Общий подход к уплотнению дорожно-строительных материалов. //Вестник Ярославского государственного технического университета: Сб.науч.тр.Вып.1.-Ярославль: Изд-во ЯГТУ, 1998. -158с.

9. Пивоваров A.B., Чабуткин Е.К, А.Ю.Прусов Рациональные технологические параметры уплотняющих машин. //Вестник Ярославского государственного технического университета: Сб.науч.тр.Вып.1.-Ярославль: Изд-во ЯГТУ, 1998. -157с.

10. Прусов А.Ю., Е.К.Чабуткин. Деформативные свойства асфальтобетонных смесей при нагружении //Вестник Ярославского государственного технического университета: Сб.науч.тр.Вып.1.-Ярославль: Изд-во ЯГТУ, 1998. -91с.

Подписано в печать 31.03.2003. Формат 60 х 84 '/|б. Печать офсетная. Объем 1,5 п.л. Тираж 100 экз. Заказ 67.

Отпечатано в типографии ОАО ЦНИИС. Лицензия ПЛД № 53-510 от 22.10.1999 г.

129329, Москва, Кольская 1 Тел.: (095) 180-94-65

I

I

*

*

I

2.003-А

p 6319

Введение

1. Состояние вопроса и задачи исследования.

1.1 Вибрационные катки и практика их использования в дорожном строительстве.

1.2 Исследования процесса деформирования асфальтобетонных смесей.

Вывод и программа проведения исследований

2. Теоретические исследования процесса уплотнения асфальтобетонной смеси на основе принципов теории ползучести.

2.1 Исследование процесса ползучести асфальтобетонной смеси.

2.2 Разработка математической модели и ее реализация на ЭВМ. 66 Выводы и результаты аналитического исследования математической модели.

3. Экспериментальные исследования процесса уплотнения асфальтобетонной смеси.

3.1 Цель и задачи экспериментальных исследований.

Методика проведения исследований.

3.2 Результаты экспериментальных исследований процесса уплотнения асфальтобетонной смеси. 98 Выводы.

4. Методика выбора рациональных технологических параметров вибрационных катков.

4.1 Инженерная методика расчета рациональных технологических параметров вибрационных катков.

4.2 Программный комплекс "ROAD" для выбора режимов работы дорожных катков.

4.3 Указатель режима работы дорожного катка УРР-4.

4.4 Проверка работоспособности программного комплекса в эксплуатации.

Выводы.

Актуальность работы. Обеспечение необходимой степени уплотнения материалов является одним из основных требований технологического процесса при строительстве автомобильных дорог, поскольку это в значительной степени определяет их прочность и срок службы.

Качество работ уплотняющей техники и производительность зависит от выполнения комплекса мероприятий, предусматривающих учет строительных свойств уплотняемого материала, требований к качеству уплотнения, технологию производства работ по устройству дорожного покрытия, а на их основе обоснованный выбор средств уплотнения и технологических режимов производства работ.

В дорожном строительстве большое распространение получили вибрационные катки. Однако, их эффективное применение существенно зависит от правильно выбранных и четко назначенных технологических параметров.

Полученная математическая модель процесса уплотнения асфальтобетонных смесей вибрационными катками и построенная на ее основе методика расчета рациональных технологических параметров вибрационных катков позволяет определить рациональный режим работы для конкретных условий эксплуатации без проведения пробной укатки. Реализация этой методики на практике позволяет существенно снизить сроки и повысить качество выполняемых работ.

Цель работы. Повышение производительности и эффективности работы вибрационных катков путем определения рациональных режимов работы на этапе эксплуатации.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

- разработана математическая модель процесса деформирования слоя асфальтобетонной смеси с учетом изменяющихся во времени характеристик уплотняемого материала;

- выполнен анализ математической модели и экспериментально определены коэффициенты температурного сдвига и коэффициенты подобия;

- разработана инженерная методика определения рациональных режимов работы вибрационных катков;

- проведена экспериментальная проверка инженерной методики в реальных условиях эксплуатации при строительстве участка автодороги.

Научная новизна. На защиту выносятся следующие наиболее существенные результаты, определяющие научную новизну:

• предложено аналитическое описание процесса уплотнения асфальтобетонной смеси на основе принципа накопления деформации теории ползучести;

• выявлено, процесс уплотнения асфальтобетонной смеси можно условно разделить на две области - при температуре материала свыше 100°С и ниже 100°С. При этом процесс деформирования асфальтобетонной смеси при температурах свыше 100°С можно описать линейными математическими зависимостями, а при более низких температурах в существенной мере проявляются не линейные свойства. А применение аппарата теории ползучести позволяет описать эти два процесса с использованием одних и тех же характеристик асфальтобетонной смеси;

• изучено влияние мгновенного режима нагружения, и нагружения протяженного во времени на изменение основных характеристик асфальтобетонной смеси (Е, е) с учетом температурного фактора. Получека обобщенная аналитическая зависимость, учитывающая изменение модуля упругости в зависимости от исходного коэффициента уплотнения;

• получены значения коэффициентов подобия и температурного сдвига позволяющие пспользочать единую математическую зависимость при определении деформ - ишЧ .в слез асфальтобетонной смеси;

• создана математическая модель процесса уплотнения асфальтобетонной смеси вибрационными ктпсами ча основе принципов теории ползучести материалов.

Практическая ценность работы

По результатам диссертационной работы и при непосредсвенном участии Ф автора разработан программный комплекс по выбору рациональных режимов работы вибрационных катков на стадии эксплуатации. Эффективность применения данного комплекса подтверждается проверкой на объектах строительства автодорог, проводимых Российско-британской компанией «Ярдор-Тармак». При этом время цикла уплотнения может быть сокращено до 15% при соответствующем качестве уплотнения.

Кроме того, разработанный программный комплекс позволяет осуществлять подбор парка катков при выполнении конкретных видов работ.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается: анализом полученной математической модели, позволяющим сделать вывод об адекватном отражении процесса деформирования слоя асфальтобетонной смеси при различных условиях уплотнения; качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данны-• ми; результатами полевых испытаний и внедрением в производство.

Реализация работы. Разработанная инженерная методика и основные результаты работы реализованы в программном комплексе ROAD для выбора рациональных технологических параметров дорожных катков и указателе режима работы УРР-4, переданных Рыбинскому заводу дорожных машин «Раскат» для модернизации существующих дорожных катков, и совместному Российско-Английскому предприятию "Ярдор-ТАРМАК" для определения технологических параметров катков в конкретных условиях эксплуатации.

Результаты диссертационной работы использованы также в учебном процессе Ярославского государственного технического университета:

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Содержит 172 страницы машинописного текста, 76 страниц иллюстраций и таблиц, список литературы из 104 названий на 10 стр.

Основные выводы по диссертации.

1. Вибрационные катки - эффективное средство для уплотнения асфальтобетонных смесей и опыт их использования на объектах строительства в полной мере это подтверждает. Однако, эффективное применение их зависит от назначения четких рекомендаций по технологическим режимам их использования.

2. Асфальтобетонная смесь представляет собой сложный по структуре упруго вязкопластичный материал с нестабильными характеристиками, что усугубляется существенным влиянием изменения температурного фактора во времени. Использование положений теории ползучести при описании процесса деформирования асфальтобетонной смеси позволяет учитывать накопление деформации в слое с учетом изменяющихся характеристик смеси.

3. На основе теории ползучести разработана математическая модель процесса объемного деформирования асфальтобетонной смеси с использованием принципа температурно-временной аналогии, который позволил решать задачи по деформированию асфальтобетонной смеси в нелинейной области.

4. Установлено, что свойства асфальтобетонной смеси сильно зависят от ее температурного состояния. При этом асфальтобетонная смесь при температурах свыше 100°С можно описать линейными математическими зависимостями, а при более низких температурах в существенной мере проявляются не линейные свойства.

5. В результате проведенных экспериментальных исследований изучены влияния мгновенного режима нагружения, и нагружения протяженного во времени на изменение основных характеристик асфальтобетонной смеси (Е, с) с учетом температурного фактора.

Получена обобщенная аналитическая зависимость, учитывающая изменения модуля упругости в широком диапазоне коэффициента уплотнения.

Изучен процесс накопления деформаций в слое асфальтобетонной смеси при различных видах нагружения с учетом температурного фактора.

Получен коэффициент температурного сдвига, позволяющий совместить деформационные кривые и описывать их единой аналитической зависимостью.

6. Анализ полученной математической модели и сравнение расчетных данных с экспериментальными позволяет сделать вывод об адекватном отражении процесса деформирования слоя асфальтобетонной смеси при различных условиях уплотнения в нестационарных температурных режимах.

7. На основании теоретических положений и математической модели процесса, рассмотренных в главе 2, предложена инженерная методика выбора рациональных технологических параметров вибрационных катков при уплотнении асфальтобетонных смесей.

8. Определены значения коэффициентов подобия, позволившие получить единую математическую зависимость при расчете деформаций в слое асфальтобетонной смеси, что значительно облегчает использование разработанной методики при инженерных расчетах.

9. На основе инженерной методики разработаны

Программный комплекс для выбора рациональных технологических параметров дорожных катков «ROAD»

Указатель режима работы УРР-4.

14. Инженерная методика прошла проверку на следующих предприятиях: Российско-британской компании «Ярдор-тармак» и Рыбинском заводе дорожных машин «Раскат», и использование ее в производстве дает определенный экономический эффект, что подтверждается актами внедрения.

1. Коваленко Ю.Я., Михненок В.М., Старков С.В. Влияние параметров вибрационных катков на уплотняемость асфальтобетонных смесей /Исследование и испытание строительных машин и оборудования. Хабаровск: Изд. Хабар.гос. техн.ун-та, 1993.- с. 75-80.

2. ГОСТ 27598-94. Катки дорожные вибрационные самоходные. Общие технические условия.

3. Хархута Н.Я. Методы и средства уплотнения асфальтобетонных дорожных покрытий /В кн.: Исследование рабочих процессов строительных и дорожных машин: Межвуз.сб.научн.тр. //Ярославль: ЯПИ, 1983.- с. 12-15.

4. Ломанов Ф.К. Укатка асфальтобетонных покрытий. М.: Дориздат, 1943,- 80 с.

5. Иванов И.И. Пути повышения прочности и долговечности черных покрытий. Строительство дорог, №5, 1947.- с.13-15.

6. Зубанов М.П. Вибрационные машины для уплотнения бетонных дмесей и грунта. М.: Машиностроение, 1964.-195 с.

7. Осцилляционные катки фирмы НАММ //Строительные и дорожные машины, №10, 2001.-13 с.

8. Островцев Н.А. Самоходные катки на пневматических шинах. М.: Машиностроение, 1969.-104 с.

9. Оптимальные параметры катков на пневматических шинах при уплотнении асфальтового бетона/В.А.Смоленцева, Н.И.Спринчук, Н.Я.Хархута Строительные и дорожные машины. Межвузовский сборник научных трудов ЯПИ. Ярославль, 1978.- с.25-28.

10. Путк А.И. Исследование рабочих параметров и режимов работы пнев12