Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ уплотняющей способности дорожно-строительных машин 8
1.1. Закономерности процессов уплотнения асфальтобетонных смесей 8
1.2. Типы оборудования и возможность регулирования уплотняющей способности 18
1.3. Анализ рабочих органов уплотняющих машин 28
2. Моделирование процесса уплотнения асфальтобетонных смесей 39
2.1. Описание процесса уплотнения асфальтобетонных смесей при сложных схемах уплотняющих нагрузках 39
2.2. Методика моделирования процесса уплотнения асфальтобетонных смесей 46
3. Экспериментальные исследования перфорированных рабочих органов 52
3.1. Взаимодействие перфорированных штампов с уплотняемым материалом 52
3.2. Результаты экспериментальных исследований по уплотнению асфальтобетонных смесей 59
3.2.1. Влияние формы перфорационных отверстий 62
3.2.2. Влияние вибрационного воздействия 66
3.2.3. Влияние перфорации на количество вытесняемого воздуха 72
3.2.4. Уплотнение модели асфальтобетонной смеси 75
3.3. Общие выводы по разделу 78
4. Оценка параметров и рекомендации по расчету перфорированных дорожных катков 80
4.1. Статистический анализ параметров дорожных катков 80
4.2. Методика расчета дорожных катков с перфорированными вальцами 87
5. Производственные испытания и расчет экономической эффективности дорожного катка с перфорированными вальцами 94
5.1. Производственные испытания 94
5.2. Расчёт экономической эффективности 96
Общие выводы и результаты 106
6. Библиографический список использованной литературы
- Типы оборудования и возможность регулирования уплотняющей способности
- Методика моделирования процесса уплотнения асфальтобетонных смесей
- Результаты экспериментальных исследований по уплотнению асфальтобетонных смесей
- Методика расчета дорожных катков с перфорированными вальцами
Введение к работе
Актуальность работы
Автомобильные дороги с асфальтобетонным покрытием являются основным типом дорог высших категорий с высокими эксплуатационными свойствами. В связи с увеличением объёма перевозок и повышением грузоподъемности автомобилей вопрос о долговечности автомобильных дорог становится особенно острым. Из-за неудовлетворительного состояния дорог государство и национальная экономика несут серьезные убытки - до 6 % от валового внутреннего продукта России в год.
Создать разветвлённую сеть благоустроенных дорог невозможно без повышения технического уровня и качества строительства, основанных на новейших научных разработках, автоматизации производственных процессов, рациональном использовании сырьевых и природных ресурсов.
Современные направления развития дорожной техники требуют: создания машин многоцелевого назначения; разработки конструкций, основу рабочих процессов которых составляют новые физические эффекты; внедрения новых технологических процессов, обеспечивающих увеличение объёмов производства и производительности труда; экономии топливно-экономических и материальных ресурсов.
Важной задачей повышения качества, надёжности и конкурентоспособности является создание дорожного катка, способного качественно уплотнять различные типы покрытий, обладающего широким диапазоном регулирования уплотняющих воздействий. Один из способов повышения эффективности использования дорожно-строительных машин -создание универсальных катков, способных автоматически изменять уплотняющее усилие и предназначенных для работы на всех стадиях процесса уплотнения асфальтобетонной смеси.
5 Цель диссертационного исследования
Повышение эффективности использования дорожных катков на основе применения перфорированных рабочих органов.
Задачи работы
Исследовать взаимодействие перфорированных рабочих органов с уплотняемой асфальтобетонной смесью.
Установить эффективность использования дорожного катка нового типа от параметров рабочего органа перфорированного вида.
Теоретически и экспериментально оценить влияние вибрации на работу перфорированных рабочих органов.
Разработать методику по расчёту показателя уплотняющей способности новых и модернизируемых дорожных катков с перфорированными рабочими органами.
Обосновать возможность уплотнения асфальтобетонных смесей одним типом дорожного катка с перфорированными рабочими органами для определённой толщины слоя.
Объект исследования
Процесс уплотнения асфальтобетонных смесей новым типом рабочего органа дорожного катка.
Научная новизна
Разработана методика расчёта дорожного катка с перфорированными рабочими органами, обеспечивающего автоматическое увеличение контактных давлений.
Установлены зависимости эффективности воздействия перфорированного рабочего органа на уплотняемый материал от его параметров (диаметр отверстий, форма отверстий, процент перфорации) и толщины уплотняемого слоя.
3. Установлены статистические зависимости между параметрами дорожных катков с гладкими вальцами и с перфорированными рабочими органами, позволяющие прогнозировать и определять их рациональные значения.
Практическая значимость работы
1. Теоретически и экспериментально обоснована возможность
обеспечения автоматического увеличения контактных давлений одним типом
дорожного катка статического действия при уплотнении асфальтобетонных
смесей в требуемом диапазоне.
На основе проведённых исследований установлена максимальная масса катка статического действия, обеспечивающего требуемое уплотняющее усилие на всех стадиях процесса уплотнения.
Полевыми результатами установлена возможность визуального контроля момента окончания уплотнительных работ.
Реализация результатов
1. Основные результаты исследований-по разработке дорожного катка с
перфорированными рабочими органами внедрены в управлении
Владдорблагоустройство г. Владивостока.
2. Результаты диссертационной работы используются в учебном
процессе ГОУВПО «Дальневосточный государственный технический
университет» при изучении дисциплин «Строительные, дорожные,
коммунальные машины», «Машины для земляных работ» по специальности
«Подъёмно-транспортные, строительные, дорожные машины и
оборудование».
Апробация работы
Работа представлялась на научно-технических семинарах кафедры «Транспортные и строительные машины» ДВГТУ (Владивосток), кафедры
7 «Строительные и дорожные машины» ТОГУ (Хабаровск).
Основные положения диссертации докладывались на VI Международном форуме «Asia - Pacific Region Countries» ДВГТУ г. Владивостока (27—30 сентября 2005 г.), научно-технической конференции «Вологдинские чтения» ДВГТУ г. Владивостока (24-26 сентября 2007 г.).
Основные положения, выносимые на защиту
Моделирование процесса уплотнения материала под действием перфорированного рабочего органа.
Основные соотношения между параметрами дорожного катка с перфорированными рабочими органами (масса, ширина и диаметр вальцов, конфигурация отверстий) и толщиной уплотняемого слоя асфальтобетонной смеси.
3. Рекомендации по расчету новых и модернизируемых конструкций
катков, позволяющих обеспечить автоматическое изменение уплотняющего
усилия в требуемом или заданном диапазоне.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 14 научных статей, в том числе 1 статья, рекомендуемая ВАКом для защиты кандидатских диссертаций.
Структура и объём работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и результатов работы, библиографического списка из 98 наименований и приложений. Работа изложена на 117 страницах печатного текста, содержит 8 таблиц и 51 рисунок.
Типы оборудования и возможность регулирования уплотняющей способности
История развития уплотняющей техники тесным образом связана с поиском конструкции, способной успешно работать на всех стадиях процесса уплотнения. Это позволило бы отказаться от существующих технологических схем уплотнения дорожных покрытий вообще и асфальтобетонного в частности. Во многих исследовательских работах показано, что плотность покрытия прямо связана с величиной уплотняющей нагрузки, точнее, с величиной контактных давлений — атах (1.3). Под действием этих давлений происходит переориентация и сближение частиц минерального остова.
На сегодняшний день существует два направления по повышению технико-экономических показателей производства уплотнительных работ:
1. Интенсификация силового воздействия со стороны рабочих органов комплекта уплотняющего оборудования.
2. Повышение эффективности воздействия рабочих органов за счет использования оборудования с нетрадиционными методами уплотнения. Ранее было отмечено, что путь по первому направлению исчерпал себя и на современном этапе необходимо сосредоточить усилия по реализации второго направления, которое указывает на повышение общего КПД процесса уплотнения. Однако можно сделать 20-100 проходов катка малой массы и не обеспечить требуемую по СНиП [87] плотность покрытия, растрачивая при этом ресурсы машин, ГСМ и т. п. Не исключен путь, объединяющий оба направления, т. е. с одновременным регулируемым уплотняющим усилием и созданием режимов, при которых происходит воздействие на асфальтобетонную смесь различными типами уплотняющих нагрузок в различных сочетаниях. Такие нагрузки С. Н. Иванченко назвал мультипликативными [41].
Исследования, проведенные в СоюзДорНИИ [58, 62, 66] с использованием отечественных и зарубежных асфальтоукладчиков, показали, что при регулировке скорости укладки, частоты вращения валов трамбующего бруса и вибратора выглаживающей плиты возможно достичь высокой плотности дорожного покрытия. Увеличение количества дополнительных рабочих органов с целью обеспечения мультипликации процесса уплотнения привело к неоправданному усложнению конструкции, к снижению управляемости и надежности в целом. Тем не менее в некоторых конструкциях реализован сложный (мультипликативный) вид нагружения. Одновременно реализовано как вертикальное, так и сдвиговое воздействие на уплотняемый слой (фирмы Demag, Huther (Германия), Parker (Англия)). Проведенные работы показали, что даже современные асфальтоукладчики не обеспечивают требуемой плотности. Все это указывает на необходимость применения дополнительной техники — самоходных дорожных катков.
В этой связи интересными являются эксперименты и некоторые теоретические положения, приведенные в работах отечественных и зарубежных ученых. Например, в [90] и в обзорной работе Э. И. Деникина [32] указывается, что при расчете уплотняющей способности катка любого типа необходимо учитывать разрушение материала как от нормальных, так и от касательных напряжений при сдвиге. Сдвиговые напряжения считаются нежелательными, и в этом отношении идеальным рабочим органом для уплотнения асфальтобетонных смесей является вибробрус асфальтоукладчика. Несмотря на обширную информацию об успешном зарубежном опыте, отечественные исследования не подтверждают в полной мере эти результаты. Более того, Э. И. Деникин считает, что подобные работы носят тупиковый характер. Аналогичный вывод можно сделать из работы [52]. В ней показано, что имеется пропорциональная зависимость между массой вибрационного катка и его уплотняющей способностью, т. е. легких вибрационных катков не должно быть. Э. И. Деникин выдвигает принципиальное положение о необходимости сдвиговой теории покрытия. Касательные напряжения возникают при использовании как статических, так и вибрационных катков. Превысить их величину нельзя, поскольку начинается волнообразование. Автор также указывает на неясность роли и влияния касательных напряжений. Эта неясность будет существовать до тех пор, пока в процессе вибрационного воздействия не будут четко разделены между собой статическая и динамическая составляющие прикладываемой нагрузки. На эффективность такого подхода указывают исследования, проведенные Шведским национальным дорожным управлением [98]. В этой работе приводятся результаты испытаний катка с вальцами, имеющими крутильные колебания (рис. 1.6).
Однопроходный рабочий орган дорожного катка с крутильными колебаниями
Во-первых, невозможность определения требуемых параметров вибрации при уплотнении приводит к неопределённости величины уплотняющего усилия. Принципиально можно регулировать возмущающую силу вибратора, но необходимо знать, по какому закону.
Во-вторых, при вибрационном методе уплотнения происходит дробление минерального остова, снижение вязкости свободного и ориентированного битума. Это вызывает опасность разрушения смеси на ранее уплотнённых участках.
В-третьих, при работе современных вибрационных катков вертикальные импульсы могут вызвать двойные скачки вальцов и продольное качание, а также резонансную вибрацию катка, что отрицательно влияет на работу механизмов и создает крайне неблагоприятные условия работы оператора. Имеются сведения о создании осцилляторного катка, который, как утверждают авторы, является началом новой эры в технологии уплотнения. В этом случае материал (грунт, асфальтобетонная смесь) уплотняется в результате повторяющихся, противоположно направленных сдвиговых деформаций с постоянным эффектом нагрузки от статической массы катка.
Методика моделирования процесса уплотнения асфальтобетонных смесей
Основываясь на полученных выражениях последовательность расчетов сводится к следующим шагам.
1. Задается нагрузка а[1) о, о$ о; угол вида напряженного состояния по интенсивности напряжений С, = Q{ = const; начальные условия по пластическим деформациям Q = 0.
2. Из уравнения находится значение объемной деформации. Аи2 + 2Ви + С = 0, (2.24) где р2 9 gjKi К1 Р Р А = К1 К Р2 в = С,С08(С-ф) + М ат-Мао]; С = ст?+С?-2aiClcosfe-9)-(V2cjT --ст0
3. Из соотношений X р X3(K)= jfsinfeK+4,/3)uW+C ). 2К)=їїІі5Іп(Ск)и(к)+С2К): (2 25) определяются значения девиаторных составляющих тензора пластических деформаций, по которым находятся составляющие тензора пластических деформаций єР =x!,+u/3; s2=x2+u/3; (2.26) EP =x +u/3.
4. Производится разгрузка и последующее нагружение материала по другой траектории. При этом задается нагрузка аФ Ф О , а Ф О ; угол вида напряженного состояния по интенсивности напряжений С,2 = const; начальные условия по пластическим деформациям Q определяются из соотношений c,(K+l)=x,(K)_ jSJn(CK+i+27i/3)u(K); с,(к+1)=х,(к)_ з1п(Ск+1)и(к). (2 27) с,(к+1)=х,(к)_ 5Іп(Ск+і+47г/3)и(к) по конечным значениям x[j и и на предыдущем нагружении.
5. Из выражения cf = J(qWf+(cWf+(c )f. (2.28) находится интенсивность начальных пластических деформаций на втором нагружении, а из C +1)=JSin(9 + 2V3)c[K+1); C +1)=js,n(9)cfK+1); (2.29) C +1) = jsin(9 + 4K/3)c[K+1). находится угол ер рг Г"(к+1) і
6. Осуществляется переход к шагу 2, и определяются значения искомых параметров на втором цикле нагружения и процесс повторяется по заданному количеству циклов.
По предложенному алгоритму была разработана программа расчёта, которая используется в настоящем исследовании и позволяет моделировать процесс уплотнения асфальтобетонных смесей дорожным катком с перфорированными вальцами, создающий сложную траекторию нагружения, отличную от траектории нагружения гладковальцовыми дорожными катками и сводящуюся к схеме нагружения «сжатие-боковое обжатие».
Используя методику и программу расчёта, проведем моделирование исследуемого процесса уплотнения АБС перфорированным рабочим органом.
Программа нагружения была следующей. На первом этапе производится простое сжатие до некоторого значения интенсивности касательных напряжений aj = а0 (1-й этап: С, = 150; а2 а3 аь а, 0, а2 = о"з = 0, 7i 0). Ha втором этапе после разгрузки производится боковое обжатие при сохранении значения а, = а (2-й этап: С, = 330; сь = аз Сть J\ = 0, а2 = а3 0, а2 = а3 0). Далее процесс нагружения полностью повторяется.
Количество сложных циклов деформирования («сжатие-боковое обжатие») асфальтобетонных смесей составляло 6-8.
Результаты проведенных расчетов по циклическому нагружению для одноэлементной модели, последней вступившей в работу на этапе уплотнения, представлены на рис. 2.4, где показано изменение главных деформаций 8jP, ЕР2, єр3 в зависимости от главных напряжений аь аз.
При первом нагружении идет процесс уплотнения материала, поэтому сначала развиваются отрицательные пластические деформации е в первом главном направлении, а в другом направлении &р2 = єр развиваются положительные деформации, не превосходящие допускаемые. Далее, после разгрузки, если на втором этапе нагружения происходит изменение траектории нагружения и деформирование осуществляется в перпендикулярном направлении, то в этом случае во втором направлении положительные деформации ЕР2 - гР переходят в отрицательные, а в первом направлении отрицательные деформации ер несколько уменьшаются. В целом же происходит увеличение объемной деформации. Последующее деформирование в первом направлении значительно пластическую деформацию є,р, что отражено нарис. 2.4. увеличивает
При этом после 4-6 циклов сложных нагружении эффект по приросту пластических деформаций уменьшается и схема становится эквивалентной традиционной схеме уплотнения. Таким образом, основной эффект прироста пластических деформаций при сложных схемах нагружения происходит на первых циклах нагружения. Поэтому следует рекомендовать при разработке технологических схем уплотнения число воздействий уплотнителя назначать в пределах 4—6.
Для экспериментальной проверки теоретических исследований воспользуемся результатами работы [42]. Моделирование процесса уплотнения асфальтобетонных смесей пневмоколесными дорожными катками производится с использованием разрезных форм. Нагружение материала со стороны рабочего органа моделируется деформированием материала в разрезной форме вертикальной нагрузкой при определенном значении коэффициента бокового давления.
Результаты экспериментальных исследований по уплотнению асфальтобетонных смесей
Предположительно эффект высокой уплотняющей способности перфорированного рабочего органа объясняется интенсивным перемешиванием внутренних областей уплотняемого слоя. Более конкретные задачи ставятся следующим образом. Необходимо исследовать влияние: формы отверстий перфорированных рабочих органов; вибрационных режимов на эффективность действия перфорированных рабочих органов; перфорированных рабочих органов на количество вытесняемого воздуха из смеси.
В результате взаимодействия уплотняющих средств со слоем асфальтобетонной смеси на границе рабочий орган — уплотняемый материал возникают контактные давления, вызывающие напряженное состояние слоя.
Деформации определяются величиной сопротивления материала деформированию. Последнее является переменной величиной и зависит не только от степени уплотнения, но и многих других факторов, наиболее важными среди которых являются уплотняющее усилие, температура смеси, скорость деформирования, структура смеси и иные условия, влияющие на этот процесс. Как правило, исследования такого рода в лабораторных условиях производятся при помощи штампов. Недостатки таких исследований общеизвестны, поскольку не в полной мере отражают существо процесса уплотнения. Однако, когда необходимо произвести экспериментальные работы, включающие сотни и тысячи опытов, невозможных в производственно-полевых условиях, исследования производятся в лабораторных условиях.
При проведении сравнительных испытаний необходимо определить критерий сравнения, за который в данном случае следует принять относительные величины эффектов действия перфорированного и сплошного штампа штампов. Такими величинами могут быть отношения объемов вытесняемого воздуха, величин деформации, контактных давлений. Поскольку критерии разные, планировать проведение экспериментов следует с учетом этих обстоятельств.
В таб. 3.1 представлены числовые характеристики для определения доверительного интервала [21] и его границы в относительных единицах. За основной источник ошибок принято давление в гидросистеме. Из таблицы видно, что доверительный интервал соответствует ошибке порядка 20 % при регулировке давления для каждого нагружения. Аналогичные исследования величины ошибки без регулировки давления показали возможность снизить ее до 7 %. В итоге тарирования нагрузочной системы приняты следующие правила: после каждой остановки с выводом дросселя-регулятора в нулевое положение проверять и выставлять нагрузку при помощи динамометра.
Возможные изменения ПУС для двух катков с одинаковыми параметрами могут принимать значения между величиной ПУС для обычного катка и катка с перфорированными вальцами. Принимая условно величину ПУС для обычного катка равной 1, получаем для перфорированного катка с формой отверстия перфорации по схеме 1 (рис. 3.12), с величиной перфорации в 30 % и соотношением между диаметром отверстий d и толщиной асфальтобетонного слоя Н -d/H = 0,5-0,65, около 1,43 (см. табл. 1.1). Поскольку сечение отверстия не меняется, не может меняться и ПУС, который максимален на любой стадии уплотнения. По схеме 2 (рис. 3.12) при (3 = 60 ПУС при первых циклах приложения нагрузок будет меньше за счет некоторого увеличения площади контакта при внедрении АБС в отверстие, но в конечном итоге достигнет максимальной величины. Аналогично будут проходить эти процессы и по схемам 3 (Р = 45) и 4 (р=30) (рис. 3.12). Следует отметить, что по схеме 4 начальное значение может быть равным значению, соответствующему схеме 5 (рис. 3.12). Это объясняется тем, что объем отверстия может быть меньше выдавливаемого объема. Однако на конечной стадии процесса ПУС неизбежно будет максимальным, но длительность этого процесса может быть больше.
Методика исследования (см. рис 3.12) основана на сравнении относительных деформаций слоя, вызванных перфорированным штампом, с относительной деформацией, возникающей под сплошным штампом. При этом соблюдается следующая последовательность: - определяются кривые относительной деформации под сплошным штампом при различных факторах (давление, время действия); - определяются кривые относительной деформации под перфорированным штампом при тех же условиях и факторах; - определяется отношение относительных деформаций при достижении определенного числа нагружений. Это отношение можно назвать коэффициентом эффекта сравнения.
Методика расчета дорожных катков с перфорированными вальцами
Следует отметить следующую закономерность. Чем больше масса катков, тем меньше отношение ПУС перфорированных катков к ПУС гладковальцовых. Так, дорожный каток комбинированный массой 24 т можно заменить перфорированным массой 18 т, относительный эффект — 24/18 = 1,33. Катку массой 16 т соответствует перфорированный массой 8 т, с эффектом 16/8 = 2, вместо катка массой 8 т можно использовать перфорированный каток, массой примерно в 2,5 т с эффектом 8/2,5 = 3,3. Все это необходимо учитывать при создании перфорированных катков.
Проведенные статистические исследования показали следующее. За последние 15-20 лет количество моделей вибрационных катков увеличилось примерно на 150. В среднем, масса катков повысилась на 1,5-2,0 т. Сократилось появление новых моделей статических катков. Это указывает на то, что в настоящее время основным типом катков являются вибрационные.
Важным является вывод о величине верхнего значения ПУС, которое соответствует трёвальцовым каткам статического действия массой в 12—14 т. Расчеты по величине ПУС для более тяжёлых катков (15-18 т) показали, что по уплотняющей способности они хуже. Это объясняется главным образом их конструктивной схемой. Установлено также, что ПУС вибрационных катков ниже ПУС катков статического действия с массой порядка 10-12 т, причем по разности этих показателей можно определить их эквивалентные массы.
Проведенные исследования позволили выявить современные тенденции в развитии конструкций дорожных катков. Наибольшие изменения наблюдаются у конструкций дорожных катков вибрационного действия. Можно констатировать, что если появление новых моделей катков статического действия связано с модернизацией предшествующих типов, то возникновение большого количества вибрационных катков можно объяснить как их модернизацией, так и существенной конструктивной переработкой. Например, установлено, что у последних моделей вибрационных катков, как правило, оба вальца вибрационные и ведущие. Вибраторы имеют механизмы регулирования возмущающей силы, а последние модели оснащаются устройствами для быстрого снижения возмущающей силы вибратора до нуля в момент реверсирования движения катка. Практически все модели имеют гидропривод с гидроусилителями системы управления. Минимальная масса гидрофицированных дорожных катков составляет 1,5 т. Одновальцовые катки, управляемые пешим оператором, не превосходят по массе 1 т.
Следует отметить то обстоятельство, что во всех ранее проведенных статистических исследованиях не предпринималась попытка совместного анализа всех типов катков как машин, итогом работы которых является получение одинакового конечного продукта.
Первоначально с внедрением вибрационных катков связывалась возможность значительно снизить массу уплотняющего оборудования. Считалось, что уплотняющее усилие равнялось сумме сил тяжести катка и возмущающей силы возбудителя колебаний (вибратора). Поэтому предполагалась возможность создания достаточно лёгких катков массой примерно 2-4 т с соответствующей компенсацией уплотняющего усилия за счет вибрации. Испытания таких катков и их эксплуатация показали, что только за счет вибрации резко поднять уплотняющую способность нельзя. Необходимо оптимально сочетать параметры вибрации и массу катка. В дальнейшем начался рост массы вибрационных машин с одновременным исследованием влияния различных параметров вибрации на уплотняющую способность катков.
Цели и задачи расчета.
1. Определение параметров универсального катка, способного работать на многих стадиях уплотнения АБС.
2. Установление параметров катка с заданным показателем уплотняющей способности, который эквивалентен по указанному параметру катку вибрационного или статического действия на заключительной стадии процесса уплотнения.
3. Определение уплотняющего усилия модернизированного катка (как «увеличивается» масса модернизированного катка). Задачи по п.п. 1 и 2 можно объединить в общую и решать исходя из полученных результатов лабораторных исследований и с учетом полевых работ. Задача расчета универсального дорожного катка. Условия и допущения. Масса универсального катка должна составлять не более 8—10 т. Уплотняющее усилие на начальной стадии процесса уплотнения должно соответствовать катку статического действия массой 5-7 т. Универсальный каток должен быть статического действия. Уплотняющее усилие универсального катка на заключительной стадии процесса уплотнения соответствует катку статического действия не менее 12 т.
