Содержание к диссертации
Введение
1 Уплотнение дорожно-строительных материалов 9
1.1 Применение вибрационных катков в строительстве 9
1.2 Исследования процесса уплотнения грунтов 17
1.3 Исследования процесса уплотнения асфальтобетонных смесей 30
Выводы 51
2. Построение принципиальной модели выбора параметров и режимов работы вибрационных катков 70
2.1 Формирование общих подходов 54
2.2 Разработка методики определения режима работы при уплотнении асфальтобетона
2.3 Разработка методики определения режима работы при уплотнении грунтов
Выводы 81
3. Влияние различных факторов на процесс уплотнения дорожно-строительных материалов
3.1 Уплотнение насыпных грунтов 83
3.2 Уплотнение асфальтобетонных смесей 92
Выводы 97
4. Экспериментальное исследование процесса уплотнения грунтов 99
4.1 Описание стенда 99
4.2 Методика проведения эксперимента 103
4.3 Результаты экспериментального исследования. Определение типа уплотняемого материала
4.4 Анализ экспериментальных данных 112
Выводы 118
5. Описание программного комплекса 120
5.1 Методика расчета режимов работы 120
5.2 Модуль базы данных 124
5.3 Модуль расчета режимов работы вибрационных катков 127
5.4 Модуль определения параметров катка 135
5.5 Модули сохранения и загрузки проектов 137
Выводы 139
6. Проверка работоспособности программного комплекса Vibkat
6.1 Уплотнение насыпных грунтов 140
6.2 Уплотнение асфальтобетонных смесей 150
6.3 Внедрение результатов исследования 155
Выводы 156 Основные выводы по диссертации 157
Список использованной литературы
- Исследования процесса уплотнения грунтов
- Разработка методики определения режима работы при уплотнении асфальтобетона
- Уплотнение асфальтобетонных смесей
- Результаты экспериментального исследования. Определение типа уплотняемого материала
Введение к работе
Актуальность работы. Современная уплотняющая техника характеризуется непрерывным повышением энергонасыщенности при существенном разбросе технологических параметров. Поэтому для эксплуатирующих организаций существует проблема определения моментов перехода от одного режима работы к другому, характеризующегося изменением рабочей скорости, вынуждающей силы и частоты вибрации рабочего органа, а также сменой вибрационных катков, действующих в составе дорожного отряда. При этом характер процесса уплотнения определяется рядом взаимосвязанных факторов, в числе которых и параметры вибрационного катка, и характеристики уплотняемого материала, как исходные, так и требуемые. Причем количество различных сочетаний этих факторов даже в самых простых моделях уплотняющих машин может достигать нескольких десятков тысяч. Для техники, в конструкции которой предусмотрена возможность регулирования в широких пределах параметров уплотнения, таких как рабочая скорость и параметры вибрации, число сочетаний факторов увеличивается многократно, что делает невозможным решение задачи определения рациональных параметров и режимов работы машины методом прямого перебора или эмпирическим путем.
В работе предложена методика расчета технологических параметров катков при уплотнении грунтов и асфальтобетонов, которая позволяет определить рациональный режим работы катка или отряда катков при конкретных условиях производства работ с учетом моментов перехода между машинами и изменяемыми параметрами уплотнения. Реализация данной методики на практике позволяет снизить сроки выполнения работ, упростить их планирование и подбор уплотняющей техники, а также повысить качество уплотнения дорожно-строительных материалов.
Цель работы. Повышение эффективности применения вибрационных катков путем определения рациональных технологических режимов уплотнения с учетом моментов переключений как между режимами работы одного катка, так и между катками, действующими в составе отряда машин.
Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи:
провести анализ схем уплотнения с использованием различных режимов работы;
определить критерии момента перехода от одного режима работы к другому (изменение рабочей скорости и вынуждающей силы) для отдельных катков. Для комплекта катков определить критерии перехода между машинами, в составе дорожного отряда;
разработать на основе существующих теоретических и экспериментальных исследований процесса уплотнения расчетные модели, описывающие взаимодействие рабочего органа вибрационного катка с уплотняемым материалом;
провести экспериментальное исследование процесса уплотнения насыпного грунта гладким вибрационным вальцом;
разработать методику определения рациональных параметров и режимов работы вибрационных катков, в том числе в составе комплекта катков;
провести проверку методики на основе сравнения результатов расчета с опытными данными производителей вибрационных катков.
Объект исследования - процесс уплотнения насыпных грунтов и асфальтобетонных смесей вибрационными катками.
Предмет исследования – критерии моментов перехода между режимами работы вибрационных катков и методика расчета рациональных параметров и режимов работы вибрационных катков.
Научная новизна работы:
предложены критерии моментов перехода от одного режима работы к другому для отдельных катков и перехода между машинами, действующими в составе дорожного отряда, при уплотнении грунтов и асфальтобетонов;
разработана концепция выбора параметров и режимов работы вибрационных катков, позволяющая на основе существующих математических моделей взаимодействия рабочих органов с уплотняемым материалом и блочно-иерархического подхода определять технологические параметры вибрационных катков;
разработана методика расчета рациональных параметров и режимов работы катков при изменяемых параметрах воздействия на уплотняемый материал.
Практическая ценность работы заключается в разработанной в ходе исследования методике, которая может быть рекомендована для назначения рациональных режимов работы как для отдельных катков, так и для катков, действующих в составе дорожного отряда, с учетом конкретных условий производства работ.
Реализация работы. Разработанная методика выбора параметров и режимов работы вибрационных катков, реализованная в составе программного комплекса была передана в ООО «Каток» и ООО «Завод «Дорожных машин» для анализа типоразмерного ряда катков и исключения необоснованного дублирования их характеристик, а также для назначения рекомендаций по выбору режимов работы катков. Материалы исследования также используются в учебном процессе ГОУВПО ЯГТУ при подготовке специалистов по специальности «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование».
На защиту выносятся:
критерии моментов перехода между режимами работы вибрационных катков;
методика расчета рациональных режимов работы вибрационных катков при изменяемых параметрах воздействия на уплотняемый материал;
результаты экспериментального исследования процесса уплотнения насыпного грунта вибрационным вальцом;
концепция выбора режима работы для катка с возможностью гибкого регулирования вынуждающей силы.
Методы исследований, обоснованность и достоверность научных положений. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования. Решения задач базируются на экспериментальных данных и известных теоретических положениях процесса деформирования дорожно-строительных материалов под воздействием вибрации, методах математического моделирования и блочно-иерархическом принципе описания объектов проектирования. Достоверность научных положений подтверждается использованием апробированных аналитических и экспериментальных зависимостей, описывающих взаимодействие рабочих органов катков с грунтом и асфальтобетоном; применением апробированного математического аппарата обработки исследования; анализом методики, свидетельствующем об адекватном отражении физики процесса уплотнения при различных условиях; качественным и количественным согласованием результатов, полученных с помощью разработанной методики с экспериментальными данными и теоретическими исследованиями.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 60 научно-технической конференции студентов, магистрантов и аспирантов, (Ярославль 2007 г.), 62 региональной научно-технической конференции «Молодежь. Наука. Инновации – 2009» (Ярославль, 2009 г.), 6 всероссийской научно-практической конференции «Современные высокоэффективные технологические и технические решения для ремонта и содержания региональных, местных и городских дорог» (Ярославль 2009 г.), международном семинаре «Проблемы совершенствования конструкции строительных, дорожных, коммунальных и аэродромных машин» (Москва 2010 г.), международной конференции «Подьемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы» (Москва 2010), всероссийской научно-методической конференции «Математическое образование и наука в технических и экономических вузах» (Ярославль 2010), на семинарах кафедры «Строительные и дорожные машины» Ярославского государственного технического университета, а также в научно-исследовательских работах по госбюджетной программе «Развитие моделей динамических процессов в сложных средах с нелинейными эффектами» ЕЗН №1.7.08 и по программе «У.М.Н.И.К.» (2010-2012).
Публикации. Основные результаты работы освещены в 17 научных публикациях, из них 5 в центральных научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, 6 в сборниках трудов международных конференций и семинаров, 2 свидетельства о регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложений. Содержит 183 страницы машинописного текста, 77 страниц иллюстраций и таблиц, список литературы из 98 названий на 10 стр.
Исследования процесса уплотнения грунтов
История работ, связанных с уплотнением грунтов и различных строительных материалов насчитывает уже несколько тысячелетий. Фактически, как только люди начали возводить достаточно массивные и сложные архитектурные сооружения, возникла необходимость в предварительной подготовке опорного основания. Так в Древнем Египте при строительстве храмов производилось уплотнение площадок под фундамент и только после этого начиналось основное строительство. По такой технологии построены, например, такие массивные сооружения как храм Рамсеса IV в Дар-Эль-Бахри и Нектанеба II в Эль-Кабе.
В Римской империи, где впервые в истории человечества начала строиться обширная сеть постоянных дорог, производился целый комплекс работ, связанных с уплотнением строительных материалов. Так, рабочие вначале уплотняли основание котлована, потом - гравийную подушку и на завершающем этапе производилось уплотнение самого дорожного покрытия.
Изначально для работ по уплотнению использовались ручные трамбовки. Что касается первых катков, то точное время их появления до сих пор неизвестно. При раскопках древних поселений в Мезоамерике были обнаружены каменные катки, использовавшиеся, предположительно, для уплотнения городских улиц и площадей, возможно, они также использовались для обустройства площадок для ритуальной игры в мяч.
В Европе первое упоминание о катках датируется 1725 годом. Это были уже металлические катки на конной тяге, которые также использовались для уплотнения улиц, в том числе вымощенных камнем. С течением времени требования к качеству уплотнения опорного основания постоянно повышались. Появились первые автомобили, развитие авиации потребовало строительства надежных взлетно-посадочных полос. Однако первые катки были статическими и единственным способом повышения качества уплотнения было повышение массы машины. В 1859 году появились первые паровые катки. Эти самоходные машины, отличающиеся большой массой (до 20 тонн), стали настоящим прорывом в технологии уплотнения дорожно-строительных материалов. Однако эксплуатация подобных сверхтяжелых машин, да еще оснащенных паровым двигателем была связана с большими неудобствами.
Начиная с 30-х годов XX века начал применяться вибрационный метод уплотнения различных строительных материалов. Сначала этот метод использовался только при уплотнении бетонов, а спустя некоторое время и при уплотнении асфальтобетонных покрытий и грунтов. Применение вибрации позволило существенно снизить массу виброкатка, в то же время, повысив его эффективность.
Сегодня вибрационные катки широко применяется как для уплотнения асфальтобетонных покрытий, так и для уплотнения грунтовых оснований. Благодаря более интенсивному силовому воздействию на уплотняющий материал, такие машины обладают большей производительностью, значительно менее металлоемкие и, в целом, являются наиболее эффективным средством уплотнения дорожно-строительных материалов. Кроме того, вибрация оказывает влияние на физико-механические характеристики уплотняемого материала, и, соответственно, на его деформацию в процессе укатки. Под действием вибрации уменьшается коэффициент трения между вальцом и уплотняемым материалом, что приводит к большей его подвижности в зоне контакта и, как следствие, более плотной укладке. Вибрационное воздействие особенно эффективно на средней стадии уплотнения, когда материал обладает уже достаточной прочностью и в состоянии выдерживать динамические нагрузки. Вибрационные машины в большинстве случаев имеют центробежный возбудитель колебаний, при этом центробежная сила развивается за счет вращения дебаланса. Проекция этой силы на вертикальную ось и является возмущающей или возбуждающей силой, под действием которой развиваются колебательные движения рабочего органа. Возмущающая сила периодически изменяется во времени от нулевого значения до своей максимальной -амплитудной величины, при таком изменении меняется не только величина, но и знак возмущающей силы, амплитудная величина которой равна центробежной силе. При центробежном возбудителе колебаний возмущающая сила во времени изменяется по синусоидальному закону. Поэтому рабочий орган машины должен совершать гармонические колебания. Такие колебания действительно происходят, если валец жестко связан с расположенным под ним основанием, между деформацией которого и действующей на него силой существует линейная зависимость. Однако поверхность грунтового полупространства такими свойствами не обладает и потому развивающиеся колебания могут быть приняты за гармонические лишь условно и только до сравнительно небольших значений возмущающих сил.
Самоходные вибрационные катки выполняются по двум основным схемам. Наиболее распространенный тип - тандем. Это катки с двумя гладкими вибрационными вальцами. Впервые машины такого типа начали строиться в СССР в 1950 г., изначально из двух вальцов один был вибрационным, и один -ведущим. Сегодня в тандемных катках оба вальца выполняются вибрационными и ведущими, что позволяет существенно увеличить силу тяги, повысить эффективность уплотнения, и способность преодолевать подъем. Анализ рынка уплотняющей техники показывает, что тандемные катки в настоящее время являются наиболее распространенным типом вибрационных катков. Их доля составляет около 80% в мировом парке катков [1]. Это объясняется тем, что тандемные катки являются наиболее универсальными машинами, использующимися при уплотнении практически всех дорожностроительных материалов.
Разработка методики определения режима работы при уплотнении асфальтобетона
Для учета влияния основания на процесс уплотнения Н.Я. Хархута ввел понятие эквивалентного модуля деформации Еэ [4]. Эквивалентный модуль Еэ имеет промежуточное значение между модулями деформации основания и уплотняемого слоя и зависит от толщины последнего (Еос Еэ Есл). Чем меньше толщина уплотняемого слоя, тем его модуль деформации ближе к модулю деформации основания. С повышением плотности глубина погружения вальцов катка снижается и поэтому размеры контактной поверхности уменьшаются. Это приводит к ослаблению влияния основания, а следовательно, и к понижению предела прочности слоя. Развивающиеся в слое напряжения все в большей мере локализуются в его верхней части, что в конце концов приводит к появлению характерных поверхностных трещин, т.е. к разрушению слоя. Таким образом, во-первых, имеет место минимально допустимое соотношение между наименьшим размером контактной поверхности, которая зависит от диаметра вальца, и толщиной уплотняемого слоя. И во-вторых, требуется точно оценивать как величину напряжений, создаваемых вальцом катка, так и предел прочности материала.
Исследования по определению предела прочности асфальтобетона проводились в работах С.С.Процуто [45], Н.Я.Хархуты [1,28], Т.Н.Сергеевой [52], М.П.Костельова и М.М.Посадского [46], Е.Л.Стефанюк. Эксперименты ставились по классической схеме, ранее применяемой в механике грунтов [47] -нагружение слоя асфальтобетона через жесткий штамп. Температура асфальтобетонной смеси соответствовала интервалу укатки.
Т.Н.Сергеева [52] установила, что прочностные и деформативные показатели асфальтобетона зависят от толщины слоя самого покрытия: с увеличением толщины, например, в 2,5 раза (за единицу принят слой толщиной 4 см) предел прочности при сжатии снижается в 1,5-2 раза.
С.С.Процуто, Н.Я.Хархута и Е.Л.Стефанюк установили, что с понижением температуры и повышением коэффициента уплотнения предел прочности возрастает (рисунки 1.14 и 1.15). Значения предела прочности и эквивалентного модуля деформации мелкозернистого асфальтобетона с толщиной слоя 4 см, при разных значениях температуры [46] приведены в таблице 1.4.
Достаточно широко исследованы и другие физико-механические свойства асфальтобетонов. Коэффициент Пуассона ju, характеризуюий отношение поперечной деформации к продольной во многих работах принят постоянным, по данным Н.Н.Иванова / =0.3 [53], В.Н.Кононова - /л = 0.25 [54], А.Я. Калужского и О.Т.Батракова - /л= 0.3-0.4 [3].
Кроме физико-механических свойств асфальтобетона на процесс его уплотнения также оказывают большое влияние конструктивные параметры уплотняющих машин и режимы их работы. Вопросы уплотнения асфальтобетонных смесей вибрационными катками были рассмотрены в работах С.А. Варганова [57], А.Ф. Зубкова и Н.Я. Хархуты [68], Ю.Я. Коваленко [59,60,61], В.Н. Кононова [62], С.К. Носкова [63], A.M. Холодова [64], Г.Н. Попова [36,39], Г.В. Кустарева [65], СВ. Носова [66], А.Ю. Прусова [8]. В этих работах была доказана эффективность применения вибрационных катков при уплотнении различных дорожнро-строительных материалов. Теория процесса уплотнения дорожно-строительных материалов основывается на схеме взаимодействия жесткого вальца с деформируемым материалом. Также как и для грунтов, эффект уплотнения определяется главным образом, величиной контактных давлений [1,28,47], под действием которых в зоне контакта возникают напряжения, вызывающие перемещение частиц материала и взаимное их сближение.
Для расчета контактных напряжений предлагались различные зависимости. Н.Я Хархута предложил для определения максимальных контактных напряжений следующую зависимость [47]: Для определения контактных напряжений при уплотнении грунтов Ф.К. Ломановым была предложена зависимость [68]: где (7ср - средние контактные напряжения; D - диаметр штампа; h -глубина проработки; /л - коэффициент, зависящий от степени упругости и вида деформации; q - удельное линейное давлениею
Для определения напряжений в глубине материала А.Я. Калужским и О.Т. Батраковым была предложена зависимость, учитывающая распределение плотности по глубине [3]: где amjn - продолжительность контакта вальца с материалом, t - текущее время, А - время от момента соответствующего атах до момента, соответствующего точке перегиба кривой нормального распределения, 8ср -средняя плотность на глубине z.
Большой интерес представляют зависимости, предложенные А.Г. Масловым и В.М. Пономарем. Они позволяют определить максимальные напряжения, возникающие на поверхности и в глубине уплотняемого слоя, в зоне контакта с вибровальцом [69]: sin Ш V R где а(0) и а(Н) - напряжения на поверхности и в глубине соответственно, А - амплитуда колебаний вибровальцев, Е - модуль деформации, qi - линейное давление вибровальца, 5, к - значения коэффициентов, определяемых экспериментально, R - радиус вибровальца. Также необходимо упомянуть зависимость, предложенную И.И. Ивановым, для определения контактных напряжений [70]: a_3l0,56-(P/b)2-c где с - коэффициент характеризующий упругость материала. И зависимость для определения оптимального контактного давления, предложенную В.П. Ложечко и И.П. Петровым [71]: стопт=0,7 Ку9 46 (Т/То)"2 72, где Т - температура асфальтобетонной смеси, Ку - коэффициент уплотнения.
Во время уплотнения асфальтобетонная смесь в напряженно-деформированном состоянии проявляет комплекс сложных свойств и характеристик: упругость, пластичность, ползучесть, релаксацию напряжений, изменение прочности в зависимости от скорости деформирования, накоплений деформаций при многократных приложениях нагрузки и т.д. В зависимости от проявления тех или иных свойств к асфальтобетону применимы законы, вытекающие из теории упругости или теории ползучести.
Л.Б.Гезенцвей [72] и Н.Я.Хархута [28] обратили внимание на то, что применение к асфальтобетону теории ползучести максимально приближает расчеты к действующим условиям работы материала и устанавливает зависимость между деформациями и напряжениями с учетом фактора времени, что особенно важно, ввиду того, что температура асфальтобетонной смеси является величиной, изменяющейся во времени и при этом оказывает большое влияние на свойства смеси. Также стоит отметить, что теория упругости и теория пластичности могут считаться частными и предельными случаями теории ползучести, в которых время может быть исключено из уравнений решаемых задач [73].
Фактически асфальтобетон является упруго-вязко-пластичным материалом. В зависимости от состояния и условий деформирования в нем могут проявляться или преимущественно упругие свойства или главным образом вязкопластические. Таким образом, в большинстве случаев в асфальтобетоне одновременно или почти одновременно проявляется совокупность указанных свойств.
Характерными для подобных материалов являются их релаксационные свойства: изменение напряжений при нерегулярных деформациях (релаксация) и изменение деформаций при постоянных напряжениях (ползучесть). Таким образом, в силу названных причин можно утверждать, что асфальтобетону присущи ползучесть и релаксация. Некоторые положения теории ползучести применительно к асфальтобетонным смесям изучали Ю.Я. Коваленко [60], Е.Л. Стефанюк [47], Л.Б. Гезенцвей [74], С.Н. Иванченко [75].
Уплотнение асфальтобетонных смесей
Анализ работ, изучающих свойства грунтов и асфальтобетонных смесей, а также процесс их уплотнения при помощи вибрационных катков, позволяет сделать вывод, что большинство эксплуатационных характеристик уплотняющих машин, их эффективность и производительность определяются взаимодействием вальца с уплотняемым материалом. При этом для получения адекватных аналитических зависимостей описывающих состояние обеих контактирующих систем требуется учесть множество взаимосвязанных параметров. Характеристики уплотняемого материала, обладающего упруго-вязко-пластичными свойствами, изменяющимися во времени, зависят от величины, характера приложения и изменения действующих нагрузок, что определяет зависимость материала от параметров и режимов работы вибрационного катка. В то же время, рассматривая систему в целом («рабочий орган»-«уплотняемый материал») можно предположить, что изменение каких-либо характеристик, параметров или показателей элемента системы в той или иной мере повлияет на остальные [66]. Например, при изменении значимых эксплуатационных характеристик уплотняющей машины (или ее режима работы) естественным образом изменятся параметры уплотняемого материала. Справедливо и обратное. При изменении параметров уплотняемого материала (исходных и требуемых) должен измениться режим работы машины, а в определенных случаях и некоторые эксплуатационные характеристики машины (такие как вынуждающая сила, масса и т.д.), так как в противном случае достижение требуемых параметров уплотняемого материала станет невозможным. Таким образом, можно сделать вывод, что эксплуатационные свойства уплотняющей машины в определенной степени зависят от свойств уплотняемого материала, и наоборот, свойства и характеристики уплотняемого материала зависят от параметров и режимов работы вибрационного катка. При этом система «рабочий орган»-«уплотняемый материал» характеризуется большим количеством взаимозависимых связей. Это, в свою очередь, означает большое число возможных вариантов по выбору параметров и режимов работы вибрационного катка, что затрудняет задачу определения рациональных условий производства работ. Вместе с тем, расчетные модели, описывающие взаимодействие рабочих органов уплотняющих машин с материалом должны удовлетворять также определенным требованиям, что, в свою очередь, сужает общее количество вариантов решения задачи и объем учитываемых параметров [6,8,36,48]:
Во-первых, расчетная модель должна быть приемлема как для специалистов, работающих в области проектирования и эксплуатации уплотняющих машин, так и для специалистов в области проектирования дорог и опорных оснований.
Во-вторых, расчетная модель должна оперировать характеристиками, определенными в соответствующей нормативной документации, применяемой при строительстве дорог и проектировании уплотняющей техники.
В-третьих, расчетная модель должна на выходе давать не только качественную, но и количественную оценку различных показателей, определяемых реальными условиями эксплуатации вибрационных катков с конкретными параметрами и режимами работы, при конкретных условиях производства.
В-четвертых, расчетная модель должна позволять использование различных аналитических выражений и методов расчета, при этом сохраняя общую структурную целостность. Соблюдение этого условия предполагает достаточную легкость ее реализации в различных программных продуктах, гибкость и восприимчивость к новым данным, полученным в результате исследований и уточнений процесса взаимодействия рабочих органов с уплотняемым материалом, а также появлению новых строительно-дорожных материалов и технологий.
Наиболее подробно эти вопросы рассмотрены в работах Носова СВ. [66,83] применительно к общим моделям взаимодействия колесных, гусеничных и дорожных машин с деформируемым опорным основанием. Проведенные им исследования показывают, что наиболее целесообразно для построения расчетной модели, применимой как при проектировании и модернизации уплотняющих машин, так и при определении их режима работы (т.е. модели, позволяющей выявлять и анализировать взаимосвязи между машиной и опорным основанием), использовать блочно-иерархический принцип описания объектов проектирования [84,85]. Согласно этому принципу, объект проектирования может быть представлен в виде иерархической структуры, описывающей его посредством выделения его компонентов и определения связей между ними.
В общем виде, структура блочно-иерархического принципа может быть представлена следующим образом (рисунок 2.1) [66]. О - решения, пригодные для дальнейшей работы 0 - решения, соответствующие требованиям задачи Ф - решения, не соответствующие требованиям задачи
Здесь R - множество характеристик (например, выражающих свойства уплотняемого материала, параметры уплотняющей машины и ее режимы работы и т.д), получаемых в ходе выполнения последовательности шагов при решении задач проектирования или определения режима работы. S - множество шагов, выполняемых при решении задачи выбора параметров или режимов работы уплотняющей машины. R = {R}v{RLn\n,LeN} (2.1.1) = {}и{ л,ІєЛГ} (2.1.2) где N - множество целых положительных чисел, R - это исходные характеристики (включая исходные данные, граничные условия и т.д.), Rn -характеристики, полученные в ходе решения задачи определения параметров и режимов работы вибрационного катка и вычисления соответствующих им параметров уплотняемого материала на уровне L. На одном уровне такая задача решается п раз.
В общем случае, удобно представить взаимосвязанные иерархии S и R в виде идентичных структур. Под «шагом» процесса S здесь понимается совокупность действий, в результате которой изменяются характеристики R. При этом количество уровней L будет одинаковым для обеих систем. В то же время при решении реальных задач, иерархия S может иметь собственные подуровни, облегчающие представление шагов предполагающих изменение двух и более параметров системы. Также необходимо отметить, что один шаг процесса S, представляющий собой определенную задачу, может иметь более одного решения.
Так как обе системы взаимосвязаны, выбор последующих шагов S, осуществляется на основании полученных на предыдущем уровне результатов R, и наоборот, полученные результаты R будут зависеть от шагов, но сделанных на текущем уровне, а также от результатов, полученных на предыдущем уровне.
Результаты экспериментального исследования. Определение типа уплотняемого материала
В последнее время активно ведется разработка катков в которых предусмотрена возможность плавного регулирования величины вынуждающей силы вибровозбудителя [90,91,92], поэтому представляет практический интерес изучение возможности регулирования контактных напряжений под вальцом катка за счет изменения величины вынуждающей силы вибровозбудителя.
Анализ графиков, приведенных выше (рисунки 3.1 и 3.2) показывает, что вынуждающая сила оказывает большое влияние на процесс уплотнения и эффективность работы катка. Плотность материала нарастает нелинейно, и чем выше коэффициент уплотнения, тем больше проходов требуется для его дальнейшего увеличения. В то же время виброкаток может увеличить интенсивность воздействия на уплотняемый материал путем повышения вынуждающей силы. Таким образом, можно предположить что увеличение вынуждающей силы на каждом проходе (в соответствии с нарастающим коэффициентом уплотнения) позволит уменьшить общее количество проходов, а следовательно увеличить производительность машины. Для проверки этих выводов была произведена серия расчетов при помощи разработанной методики. В качестве базовой машины был выбран каток ДV-111 (рабочая масса 7 тонн, вынуждающая сила 146 кН при частоте вибрации 35 Гц), уплотняемый материал -песок, толщина слоя 0,5 метра, влажность, 1,05 от оптимальной. В результате вычислительного эксперимента были получены следующие данные. На рисунке 3.5 представлены графики зависимости коэффициента уплотнения дорожностроительного материала от числа проходов, при увеличении вибрации на 10% после каждого прохода (кривая 1), при увеличении вибрации на 20% после каждого прохода (кривая 2) и с включением вибрации на 100% с первого прохода (кривая 3). 1,00 0,98 к
уплотнение песка катком ДУ-111. 1-е увеличением вынуждающей силы на 10% после каждого прохода 2-е увеличением вынуждающей силы на 20% после каждого прохода 3-е включением вибровозбудителя на 100% с первого прохода Из графиков видно, что при увеличении значения вынуждающей силы на 10% после каждого прохода, на начальном этапе коэффициент уплотнения нарастает более интенсивно, однако, из-за медленного прироста уплотняющей способности, в конечном итоге, требуется большее количество проходов для достижения требуемых параметров материала (кривая 1). При включении вибровозбудителя на 100% с первого прохода плотность на ранней стадии производства работ нарастает медленно, что связано с тем, что контактные напряжения, в определенный момент, превышают предел прочности грунта, вследствие чего происходит «разуплотнение», вызванное разрушением поверхностного слоя материала (кривая 3). Наилучший результат получается при увеличении значения вынуждающей на 20% после каждого прохода, этот метод позволяет несколько сократить общее время работы. Анализ приведенных зависимостей показывает, что изменение вынуждающей силы эффективно только в том случае, когда оно возрастает в полном соответствии с изменением плотности грунта и не превышает его предела прочности. Только при этом возможно снижение требуемого количества проходов.
Вычислительный эксперимент проводился для различных типов асфальтобетонов (горячий, холодный) при различных параметрах уплотняемого материала (температура смеси, толщина слоя, начальный и требуемый коэффициенты уплотнения). При этом учитывалась также температура окружающего воздуха, скорость остывания смеси и изменение ее характеристик с течением времени.
При работе с горячими асфальтобетонными смесями, возможность эффективного уплотнения сильно ограничивается двумя факторами. Во-первых, скорость остывания материала, которая зависит от температуры окружающего воздуха и, во-вторых, скоростью работы машины. На рисунке 3.6 представлен график зависимости достигнутого коэффициента уплотнения от количества проходов катка ДУ-99 (рабочая масса 10,5 тонн, вынуждающая сила 42 кН при частоте вибрации 50 Гц) на скорости 2 км/ч и 4 км/ч. Уплотняемый материал -горячий асфальтобетон, смесь мелкозернистая тип А, температура на начало укатки 120 С, температура окружающего воздуха +20 С, толщина слоя 0,1 метра, начальный коэффициент уплотнения 0,85, размеры уплотняемого участка 30x4 метра. Как видно из графика, работа на скорости 2 км/ч не обеспечивает требуемый коэффициент уплотнения (0,99). Более того, после 7-го прохода каток уже не способен уплотнять материал на всю глубину (глубина проработки на 8-м проходе составляет 0,09 метра). При этом первые три прохода выполняются без вибрации, последующие - с включенным вибровозбудителем. I I 8 9 10 11 12 5 6 7 количество проходов
При уплотнении на скорости 4 км/ч при прочих равных исходных данных, каток ДУ-99 обеспечивает требуемый коэффициент уплотнения за 8 проходов. Увеличение скорости в этом случае также позволяет существенно сократить общее время производства работ. Первые 5 проходов осуществляются без вибрации, последующие - с включенным вибровозбудителем. Полученные результаты объясняются влиянием температурно-временного фактора. С остыванием асфальтобетонной смеси изменяются ее физико-механические характеристики, вследствие чего уплотнение на малой скорости (т.е. требующее большего времени) может оказаться невозможным [93].
Вместе с тем, увеличение рабочей скорости машины снижает уплотняющую способность, в связи с чем, каток также может не обеспечивать требуемую плотность материала. В процессе остывания смеси увеличивается ее модуль деформации [23], вследствие чего нарастание плотности существенно замедляется и при недостаточной уплотняющей способности машины на определенном этапе уплотнение становится невозможным. Таким образом, можно сделать вывод, что для горячих асфальтобетонных смесей существует определенный временной интервал, во время которого уплотнение наиболее эффективно. Он зависит от начальной температуры смеси, температуры окружающего воздуха и толщины слоя. Соответственно при выборе уплотняющей машины для производства работ при конкретных условиях следует определить максимальный модуль деформации, при котором каток еще сохраняет свою уплотняющую способность, по этому параметру можно определить минимальную рабочую температуру смеси [94]. По такому же принципу можно определить и максимальную начальную температуру смеси. При малом модуле деформации тяжелый каток может повредить поверхностный слой асфальтобетона, при этом образуются почти неустранимые неровности поверхности и трещины, снижающие надежность и долговечность покрытия. При этом определяющим параметром являются контактные напряжения под вальцом, которые не должны превышать предел прочности материала. Таким образом, зная начальную (допустимую) и конечную температуры, можно [95] определить верхнюю границу теоретического временного интервала эффективной работы катка. При этом следует также учитывать, что теоретический интервал будет всегда больше реального, так как модуль деформации смеси увеличивается не только в процессе ее остывания, но и во время непосредственного уплотнения. На практике, при решении задачи выбора рабочей скорости целесообразно выбирать наибольшее значение при котором снижение уплотняющей способности машины не превышает 10%. Таким образом возможно существенно уменьшить время уплотнения, благодаря чему смесь не успевает остыть в процессе работы.
При уплотнении асфальтобетонов зачастую требуется использовать более одного катка для качественного проведения работ. При уплотнении одной машиной часто возникает ситуация когда каток или слишком тяжелый чтобы сразу выходить на участок, или слишком легкий для того чтобы уплотнить материал до требуемой плотности. При этом, точно также как и в случае с уплотнением насыпных грунтов существует проблема выбора оптимальной точки выхода более тяжелой машины на участок. На рисунке 3.7 представлены графики зависимости коэффициента уплотнения от числа проходов катков ДУ-96 (рабочая масса 7,8 тонн, вынуждающая сила 44 кН при частоте вибрации 50 Гц) и СС 722 (рабочая масса 16 тонн, вынуждающая сила 102 кН при частоте вибрации 48 Гц) при уплотнении горячей асфальтобетонной смеси типа А, температурой 120 С, при температуре окружающего воздуха +15 С, толщине отсыпки 0,1 метра и начальным коэффициентом уплотнения 0,85. Рабочая скорость обоих катков - 3 км/ч, размеры участка 30x4 м. Как видно на приведенном рисунке, оптимальной точкой выхода более тяжелого СС 722 является точка 3. В точке 2 плотность смеси и ее модуль деформации недостаточен для того чтобы каток СС 722 мог начинать работу с включенным вибровозбудителем, поэтому он должен сначала выполнить два прохода без вибрации.
