Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 13
1.1. Направления развития конструкций рабочих органов дорожных машин для уплотнения асфальтобетонных смесей 13
1.2. Структурно-силовой анализ схем взаимодействия рабочих органов уплотняющих машин с уплотняемой средой 39
1.3. Анализ существующих теорий уплотнения асфальтобетонных смесей 51
1.4. Цель и задачи исследования 70
2. Основы статистической теории уплотнения асфальтобетонных смесей рабочими органами уплотняющих машин 75
2.1. Создание структурной модели лестничного типа для описания процесса уплотнения асфальтобетонных смесей 75
2.2. Анализ поведения структурной модели при одноосном на-гружении 94
2.3. Статистическая теория уплотнения. Основные постулаты и определяющие соотношения 102
2.4. Изображение предельных условий в пространстве напряжений и деформаций 108
2.5. Определяющие соотношения теории уплотнения асфальтобетонных смесей для сложных нагружений 116
2.6. Соотношения теории уплотнения асфальтобетонных смесей для основных видов нагружения 121
2.7. Выводы 129
3. Моделирование процесса уплотнения асфальтобетонных смесей уплотняющими рабочими органами дорожных машин при сложных схемах силового воздействия 132
3.1. Идентификация параметров теории уплотнения асфальтобетонных смесей 132
3.2. Определение статистических функций распределения случайных параметров теории уплотнения 143
3.3. Исследование процесса уплотнения асфальтобетонных смесей в условиях простых путей нагружения 155
3.4. Моделирование процесса уплотнения асфальтобетонных смесей уплотняющими рабочими органами дорожных маг шин при сложных схемах силового воздействия 161
3.5. Выводы 183
4. Термодинамический подход к оценке схем си лового воздействия рабочих органов уплотняющих машин 186
4.1. Термодинамическое обоснование критерия оценки схем силового воздействия рабочих органов на уплотняемый материал . 186
4.2. Энергоемкость процесса уплотнения асфальтобетонных смесей рабочими органами дорожных машин 194
4.3. Оценка схем силового воздействия рабочих органов дорожных машин 203
4.4. Прогнозирование конструктивных и кинематических параметров рабочих органов дорожных машин для уплотнения асфальтобетонных смесей 219
4.5. Выводы 231
5. Формирование рабочих органов дорожных машин для уплотнения асфальтобетонных смесей 235
5.1. Методологические основы создания рабочих органов уплотняющих машин со сложной схемой силового воздействия 235
5.2. Создание рабочих органов дорожных машин, осуществляющих мультипликацию схем силового воздействия на уплотняемый материал 239
5.3. Формирование уплотняющего рабочего органа, интегрирующего схемы силового воздействия вальца дорожного катка и трамбующего бруса асфальтоукладчика 270
5.4. Оценка эффективности дорожных машин для уплотнения асфальтобетонных смесей с рабочими органами интенсифицирующего действия 293
5.4.1. Формирование комплекта дорожных машин для укладки и уплотнения асфальтобетонных смесей 298
5.4.2. Рациональные температурные диапазоны укатки асфальтобетонных смесей самоходными дорожными катками 299
5.4.3. Определение производительности комплекта дорожных машин» используемых для укладки и уплотнения асфальтобетонных смесей 301
5.4.4. Экономическая оценка вариантов формирования комплектов дорожных машин для уплотнения асфальтобетонных смесей 302
5.4.5. Расчет экономической эффективности новой техники 306
5.5. Выводы 310
Основные научные результаты и выводы 312
Литература 318
- Структурно-силовой анализ схем взаимодействия рабочих органов уплотняющих машин с уплотняемой средой
- Определяющие соотношения теории уплотнения асфальтобетонных смесей для сложных нагружений
- Исследование процесса уплотнения асфальтобетонных смесей в условиях простых путей нагружения
- Энергоемкость процесса уплотнения асфальтобетонных смесей рабочими органами дорожных машин
Введение к работе
Актуальность работы. Важным элементом технологического процесса строительства автомобильных дорог является уплотнение покрытий. От качества уплотнения зависят долговечность дороги, ее эксплуатационные показатели и безопасность движения автомобильного транспорта [13,27,81,92,134,163,170,180,236,237,238,239,240, 245]. Уплотнение асфальтобетонных покрытий производится рабочими органами асфальтоукладчиков и самоходными пневмоколесными, вибрационными и статическими дорожными катками. Наибольшее распространение для уплотнения асфальтобетонных покрытий получили самоходные статические катки. Их число в общем мировом парке самоходных катков составляет около 50% [274, 275]. Они надежны в эксплуатации и практически на всех материалах обеспечивают получение требуемого качества уплотнения. Однако, к недостаткам этих средств уплотнения следует отнести низкую производительность, высокую металлоемкость и энергоемкость [52, 275].
Наряду с ростом массы уплотняющих машин, увеличением размеров их рабочих органов, применением средств автоматизации управления, способствующих увеличению производительности комплекта машин для укладки и уплотнения асфальтобетонных смесей, одним из основных путей интенсификации продолжает оставаться снижение энергоемкости процесса уплотнения.
Пути снижения энергоемкости, металлоемкости и повышение производительности процесса уплотнения требуют изменения конструкций рабочих органов уплотняющих машин, перехода от традиционных решений к новым, более эффективным, но, как правило, более сложным, в том числе - использующих принципиально новые способы воздействия на асфальтобетонную смесь как уплотняемый материал [43, 44, 87, 94, 137,138,145,155,162,176,194,198,205,217,224,257,281,285, 322,323,331). Практика показывает, что получение ощутимых результатов в сниже • 7 нии энергетических затрат на уплотнение материалов только за счет дальнейшей оптимизации конструктивных и кинематических параметров рабочих органов традиционных конструкций в настоящее время уже почти невозможно, т.к. резервы здесь практически исчерпаны, благодаря ранее выполненным исследованиям [4, 12, 17, 21, 24, 42, 54, 55, 89, 90, 132, 133, 134, 135, 136, 140, 141, 144, 154, 169, 170, 176, 205, 208, 212, 213, 214, 215, 226, 227, 228, 230, 247, 248, 253, 264, 267, 268, 269, 270, 271, 272, 273, 274, 275, 278, 279, 295, 296, 297, 299, 303, 304, 312, 328, 331]. Необходим поиск новых технических решений конструкций рабочих органов уплотняющих машин на основе углубленного изучения явлений, протекающих в процессе уплотнения асфальтобетонных смесей, с одной стороны, и тенденций развития рабочих органов, с другой [182,183,184].
Учитывая слишком медленное совершенствование параметров традиционных конструкций уплотняющих машин генеральным направлением научно-исследовательских работ в этой области представляется поиск оригинальных технических решений - прежде всего, рабочих органов машин, обеспечивающих принципиальное превосходство их над лучшими из традиционных конструкций [182, 183, 184].
Проведенные автором исследования являются продолжением основополагающих и предшествующих работ, обобщают большой опыт в области создания уплотняющих машин с рабочими органами интенсифицирующего действия и исследования процесса уплотнения асфальтобетонных смесей. Результаты работы получены на основе фундаментальных исследований и последних достижений отечественной и зарубежной науки и техники как в рассматриваемой области, так и в смежных областях.
Целью работы является разработка статистической теории уплотнения асфальтобетонных смесей для прогнозирования напряженно-деформированного состояния уплотняемого материала яри произвольных траекториях нагружения и для обоснования предложений по фор -8 мированию рабочих органов уплотняющих машин и методов расчета конструктивных и кинематических параметров» обеспечивающих повышение эффективности машин.
На защиту выносятся наиболее существенные результаты диссертационного исследования» составляющие научную новизну работы:
1. Статистическая теория уплотнения асфальтобетонных смесей» в основе которой лежат фундаментальные законы механики деформируемого твердого тела: закон упругости, закон пластического течения» закон затвердевания Прагера» обобщенный закон нелинейного уплотнения.
2. Термодинамическое обоснование критерия и оденка схем силового воздействия рабочих органов уплотняющих машин на уплотняемый материал,
3. Методология формирования рабочих органов дорожных машин для уплотнения асфальтобетонных смесей. Прикладные методы формирования рабочих органов на примере двух типов конструкций» различных по принципу действия.
4. Оценка эффективности использования дорожных машин с рабочими органами интенсифицирующего действия для уплотнения асфальтобетонных смесей.
Методы исследований. Решение поставленных задач базируется на основных положениях теории упругости» теории пластичности» теории затвердевания Прагера» нелинейной теории уплотнения материалов» термодинамики необратимых процессов» теории вероятностей и математической статистики. Исследования проводились с использованием ПЭВМ PC AT» оптико-электронного анализатора изображений "Кван-тимет - 720" и ртутной порометрической установки П-ЗМ.
Достоверность научных положений» выводов и рекомендаций обоснована: строгим применением классических постулатов механики твердого тела, математического аппарата теории вероятностей; многократностыо проведения замеров; проверкой основных положений теоретических исследований и удовлетворительным совпадением предсказаний теории с экспериментальными данными; испытанием макетных образцов машин в производственных условиях.
Практическая ценность, реализация и внедрение результатов исследования:
- на основании выполненных исследований осуществлено теоретическое обобщение по процессам механического уплотнения; разработаны статистическая теория уплотнения и методология формирования рабочих органов дорожных машин для уплотнения асфальтобетонных смесей, позволяющие на стадии проектирования с учетом условий и схем производства работ, свойств уплотняемого материала, создавать рабочие органы уплотняющих машин, реализующих траекторию нагруже-ния материала, приводящую к интенсификации процесса уплотнения;
- принципы, положенные в основу методологии, могут быть использованы при решении экспериментально-теоретических задач о взаимодействии рабочих органов различных дорожностроительных машин с обрабатываемой средой.
Основные результаты научной работы внедрены на заводе "Дорожных машин", г.Рыбинск; ТОО Радицкий машиностроительный завод, г.Брянск; НПО Машиностроитель, г.Брянск; ПО Ленавтодор; АОЗТ "НЕВА", г.Санкт-Петербург;
- в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 1709 "Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины и оборудование1 в Санкт-Петербургском государственном техническом университете и Хабаровском государственном техническом универси тете.
Диссертационная работа выполнялась: в рамках межотраслевой программы создания и выпуска дорожной техники на машиностроительных предприятиях России, разработанной во исполнение п. 10 переч - 10 ня программ, обеспечивающих поддержку реализации государственной программы совершенствования и развития автомобильных дорог Российской Федерации "Дороги России" и п.5 решения совещания семинара руководителей дорожных организаций Российской Федерации (г.Москва, 20-22.09.94, 27-29.09.94); в рамках региональной межвузовской научно-технической программы "Дальний Восток России". Личный вклад автора в научном направлении:
- в формулировке общей идеи и цели работы;
- разработаны впервые: статистическая теория уплотнения асфальтобетонных смесей; термодинамическая оценка схем силового воздействия рабочих органов уплотняющих машин на уплотняемую среду; методология формирования рабочих органов дорожных машин для уплотнения асфальтобетонных смесей, реализующих сложную траекторию нагружения и методы расчета рабочих органов;
- экспериментальные исследования рабочих процессов, проектирование уплотняющих машин, проведение испытаний, разработка технологий проводились при непосредственном участии автора.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на секции дорожных машин научно-технического совета Минстройдормаша (г.Москва, 1984 г.); на Всесоюзном научно-техническом совещании "Технология и механизация гидроизоляционных работ промышленных, гражданских и энергетических сооружений" (г.Ленинград, 1982 г,); на 2-ой Республиканской конференции по физико-химической механике дисперсных систем и материалов (г.Одесса, 1983 г.); на XLVII научно-технической конференции Саратовского политехнического института (г. Саратов, 1984 г.); на 43 научно-методической и научно-исследовательской конференции Московского автомобильно-дорожного института (г.Москва, 1985 г.); на XXII - XXIV научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Хабаровского политехнического института (г.Хабаровск, 1986 -11 1988 г.); на республиканской научно-технической конференции "Пути совершенствования строительной индустрии" (г.Вильнюс, 1989 г.); на региональной конференции " Моделирование и оптимизация технологических процессов и элементов конструкций инженерного назначения" (г.Хабаровск, 1989 г.); на республиканской конференции "Достижения строительной науки и внедрение их результатов в производство" (г.Вильнюс, 1990 г.); на республиканской научно-технической конференции "Актуальные проблемы механизации дорожного строительства" (г. Санкт-Петербург, 1992 г.); The Second International Symposium on Promotion of Scientific and Technological Progress in the Far East (Harbin, P.R.C., 1992); на межвузовской научно-технической конференции "Экономика Дальнего Востока в условиях перехода к рынку" (г, Хабаровск, 1993 г.); на международной конференции "Моделирование технологических процессов и систем в машиностроении" (г.Хабаровск, 1994 г.); на 52-й, 53-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников и аспирантов Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета (г. Санкт-Петербург, 1995 гм 1996 г.); The Fourth International Symposium on Advances in Science and Technology in the Far East (Harbin, P.R.C., 1995); на республиканской научно-технической конференции "Строительные и дорожные машины и их использование в современных условиях" (г. Санкт-Петербург, 1995 г.); на Российской научно-технической конференции "Инновационные наукоемкие технологии для России" (г.Санкт-Петербург, 1995 г.); на 1-ой международной конференции "Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности металлоконструкций и методы их решения"(г.Санкт-Петербург, 1995 г.); на международной конференции "Интеграция экономики в систему мирохозяйственных связей"(г.Санкт-Петербург, 1996 г.); на международной научно-технической конференции "Развитие строительных машин, механизации и автоматизации строительства и открытых горных работ" (г.Москва, 1996 г.); на XV международной конференции "Математические модели, методы потенциала и конечных элементов в механике деформируемых тел" (г.Санкт-Петербург, 1996 г.); на международной научно-технической конференции "Энергообработка бетонной смеси в строительстве" (г.Владимир, 1996 г.); на международной научно-технической конференции "Проблемы строительно-инвестиционного комплекса" (г.Владимир, 1996 г.); на Всероссийской научно-практической конференции "Новые технологии и техника в строительстве и реконструкции зданий и сооружений в современных экономических условиях"(г.Санкт-Петербург, 1996 г.); на научно-технических семинарах кафедры "Подъемно-транспортные и строительные машины" Санкт-Петербургского государственного технического университета (г.Санкт-Петербург, 1982 - 1996 гг.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 48 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 317 страницах машинописного текста, иллюстрируется 122 рисунками и 12 таблицами и состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка литературы из 331 наименования и 5 приложений.
Структурно-силовой анализ схем взаимодействия рабочих органов уплотняющих машин с уплотняемой средой
Трамбующий брус предназначен для предварительного уплотнения трамбованием уложенной асфальтобетонной смеси.
Выглаживающая плита выглаживает поверхность распределенного материала и предотвращает выпучивание или сдвиг материала непосредственно позади трамбующего бруса; регулирует поперечный профиль и толщину укладываемого слоя; служит опорной поверхностью для рабочих органов.
В соответствии с существующей технологией устройства асфальтобетонных покрытий уплотнение смеси, в первую очередь, осуществляется трамбующим брусом и виброплитой. Достигнутая степень уплотнения асфальтобетонной смеси после прохода асфальтоукладчика определяет количество и типоразмер дорожных катков, которые используются на заключительной стадии процесса.
Наиболее содержательными отечественными работами, посвященными вопросам использования асфальтоукладчиков при сооружении верхних слоев автомобильных дорог, являются исследования, проведенные во ВНИИСтройдормаше [58, 59, 119, 140, 141, 164, 172]. Схема использовавшейся установки приведена на рис.1.2. Конструкция установки позволяла изменять скорость движения от 1,3 м/мин до 8,0 м/мин, толщину уплотняемого слоя - от 30 мм до 200 мм, частоту вращения эксцентрикового вала виброплиты - от 2000 об/мин до 4500 об/мин, частоту вращения эксцентрикового вала трамбующего бруса - от 600 об/мин до 2150 об/мин. Ход трамбующего бруса составлял 3, 6, 9 мм. Одной из задач исследований было установление зависимостей между степенью уплотнения смеси, рабочими параметрами укладки и параметрами уплотняющих органов. В качестве уплотняемого материала использовался аналог песчаной асфальтобетонной смеси тина Д, позволивший исключить влияние изменения пластических свойств горячих асфальтобетонных смесей при их охлаждении.
Исследования проведенные на песчаной асфальтобетонной смеси типа Л показали, что плотность материала возрастает пропорционально увеличению количества ударов и относительного удельного давления на элементарный участок покрытия как для виброплиты, так и для трамбующего бруса. Установлено, что при совместной работе трамбующего бруса и виброплиты воздействие плиты практически не оказывает влияние на увеличение плотности асфальтобетонной смеси после воздействия трамбующего бруса, но способствует улучшению качества поверхности покрытия. Так, при работе трамбующего бруса со статической плитой при скорости передвижения асфальтоукладчика более 5 м/мин появляются разрывы на поверхности покрытия. Применение виброплит позволяет увеличить скорость передвижения укладчика до S м/мин [140,141].
Плотность уплотняемого материала возрастает пропорционально увеличению хода трамбующего бруса. Установлена рациональная рабочая скорость передвижения асфальтоукладчика, которая составляет 1,7 - 4,8 м/мин .
Исследования проведенные в СоюзЛорНИИ [157, 158, 174, 196, 197] с использованием зарубежных асфальтоукладчиков Titan 410 С, Super 1700, SSF 5, а также отечественных ЛС - 94 и ДС - 113 показали возможность достижения высокой степени уплотнения асфальтобетонной смеси при использовании данных асфальтоукладчиков.
Так, максимальная плотность асфальтобетонной смеси типа А достигается при рабочей скорости асфальтоукладчика 1-2 м/мии, частоте колебаний бруса 12 Гц, а виброплиты - 50 Гц. Для смеси типа Б при тех же рабочих скоростях максимальная плотность достигается при частотах колебаний бруса и виброплиты соответственно 24 и 70 Гц.
Таким образом, интенсивность роста степени уплотнения увеличивается с уменьшением скорости укладки и увеличением оборотов приводного вала трамбующего бруса. Особенно четко эта закономерность прослеживается для смесей с содержанием щебня до 50%. В то же время увеличение числа оборотов приводного вала виброплиты не всегда приводит к увеличению степени уплотнения. Установлено, что при увеличении рабочей скорости асфальтоукладчика более 2 м/мин степень уплотнения асфальтобетонной смеси уменьшается.
В работах [4,12, 45, 58, 59, 77, 97, 102, 229,119,140, 141,157,158,161, 164, 172, 174, 175, 176, 196, 197, 205, 225, 259, 291, 305, 307, 314, 315] указывается, что существуют оптимальные режимы работы уплотняющего оборудования асфальтоукладчика. Однако, единого мнения и подходов к решению этой проблемы не существует ввиду трудоемкости стендовых и производственных испытаний.
Экспериментально-теоретические исследования, проведенные Ма словым А.Г. [175, 176], показали возможность внедрения вибрационных способов уплотнения и выглаживания дорожного покрытия, исключающих использование трамбующего бруса. Для этого применяются вибрационные рабочие органы асфальтоукладчиков: одночастотные и поличастотные с вертикальными колебаниями, одночастотные и поличастотные с крутильными колебаниями, а также низкочастотные, оказывающие в процессе работы полигармоническое вибрационное воздействие на уплотняемую среду (рис. 1.3).
Одночастотные вибрационные рабочие органы с вертикальными колебаниями используются в асфальтоукладочвых машинах при рабочей скорости до 2,8 м/мин и ширине укладываемой полосы до 4 м, а поличастотные - при рабочей скорости до 7,8 м/мин. Для широкозахватных асфальтоукладчиков целесообразно применение вибрационных рабочих органов с крутильными или низкочастотными колебаниями при длине виброплиты 6 - 6,5 м и 11 м соответственно [176].
Определяющие соотношения теории уплотнения асфальтобетонных смесей для сложных нагружений
Недостатком вибрационных катков следует считать недостаточную их надежность из-за больших возникающих динамических нагрузок на узлы и агрегаты катка. Низкими являются и эргономические показатели этих машин, связанные с трудностью создания надежной виброзащиты рабочего места оператора [18, 42, 230].
Исследованию эффективности применения пневмоколесных дорожных катков для уплотнения асфальтобетонных смесей посвящены работы [8,24,55,134,136, 227,228, 274,275, 283,299,303, 329]. В результате выполненных исследований показано, что преимуществом пневмоколесных катков по сравнению с гладковальцовыми статическими является более высокая производительность, обусловленная как меньшим числом необходимых проходов, так и большей шириной захватки [228, 274, 275].
Исследованиями [227, 228, 292] установлено, что эффективно производить уплотнение асфальтобетонных смесей пневмоколесными катками при температуре 140 - 115" С. Использование пневмоколесных катков при температурах ниже указанных значений ведет к снижению их производительности.
Применение эластичного уплотнителя в качестве рабочего органа катка позволяет увеличить время воздействия пневматической шины на уплотняемый материал и увеличить длину контакта уплотнителя с поверхностью уплотняемого материала. Вследствие этого под рабочим органом катка развиваются значительные сдвигающие усилия. Это способствует сдвигу отдельных частиц материала и ведет к уменьшению его дробимости. Хархута Н.Я. отмечает, что "... оказываемое шинами на смесь "перемешивающее действие" ускоряет процесс уплотнения и способствует получению благоприятной структуры материала" [275].
Достоинством уплотнения асфальтобетонных смесей катками данного тина является снижение поверхностной пористости покрытия, что существенно снижает водопроницаемость последнего [41].
Исследованиями Ангста X. [303] установлено, что самоходные плев моколесные катки эффективно использовать на толщинах слоев 10 - 12 см, где их уплотняющая способность максимальна. Данный вывод получен в результате выполненных экспериментальных исследований и хорошо согласуется с результатами исследований [80, 228, 270, 295].
К недостаткам пневмоколесных катков следует отнести неудовлетворительную ровность получаемого покрытия как в продольном, так и в поперечном направлениях [27, 283] вследствие имеющихся зазоров между шинами и колебаниями катка в вертикальной плоскости. Последние развиваются из-за неравномерности жесткости шин и вызывают периодическое изменение давления на контакте шины с поверхностью уплотняемого материала.
Важным является вопрос о месте дорожного катка на пневматических шинах в технологическом процессе уплотнения асфальтобетонных смесей.
Так, Р.Сойтери [329] считает, что уплотнение асфальтобетонных смесей возможно производить только пневмоколесным катком без применения других средств уплотнения.
Исследования, проведенные у нас в стране [228, 134, 275], показывают обратное: уплотнение асфальтобетонных смесей пневмоколесным катком должно производиться совместно с гладковальцовыми статическими катками. Использование гладковальцового катка имеет целью выполнить заключительные операции по выравниванию получаемого покрытия.
Создание комбинированных дорожных катков имело целью повысить уплотняющую способность существующих средств уплотнения. Однако, как показывают данные зарубежного опыта, использование этих катков для уплотнения асфальтобетонных смесей эффективно только на слоях толщиной 10 - 15 см [41, 42, 275].
Таким образом, на основании выполненного анализа следует сказать, что наиболее эффективными средствами уплотнения для укатки асфальтобетонных смесей, укладываемых слоями 4-8 см, являются самоходные гладковальцовые статические катки. Для уплотнения слоев смеси толщиной 10 - 12 см эффективно применять пневмоколесные и вибрационные дорожные катки, сочетая их работу с работой глад-ковальцовых статических катков, которые применяются на заключительной стадии укатки для завершающих операций по выравниванию получаемого покрытия. Следовательно, гладковальцовые статические дорожные катки являются основными и универсальными средствами уплотнения асфальтобетонных смесей.
Для повышения эффективности использования гладковальцовых статических катков и рационального ведения процесса уплотнения необходимо, чтобы развивающиеся контактные давления под вальцами катков не превосходили прочностных показателей асфальтобетонной смеси [270, 271, 272, 274, 275]. Однако, в процессе уплотнения из-за снижения температуры смеси и повышения ее плотности происходит увеличение прочностных показателей смеси. Данное обстоятельство приводит к тому, что для уплотнения смеси необходим комплект катков, отличающихся линейными давлениями. Смена катков должна производиться в соответствии с изменениями прочностных свойств материала (рис.1.9).
Анализ параметров самоходных статических катков, используемых для уплотнения асфальтобетонных смесей, показывает, что замена одного типоразмера катка другим в процессе укатки позволяет изменить контактные давления. Однако, эти изменения обычно носят ступенчатый характер и поэтому не соответствуют технологическим требованиям по уплотнению асфальтобетонных смесей [138].
Одним из путей повышения эффективности использования гладко-вальцовых статических катков является создание катков, позволяющих в широких пределах изменять величину контактного давления под рабочим органом катка в соответствии с изменением прочностных свойств уплотняемого материала.
В связи с этим представляет большой интерес предложение регулировать давление вальца катка на уплотняемую поверхность с помощью пневмовакуумного балластного устройства (ПВВУ) [43,44, 76,137, 138, 251, 273, 294]. Конструкция этого устройства к дорожному статическому катку была предложена и разработана группой сотрудников лаборатории "Дорожные и строительные машины" кафедры "Подъемно-транспортные и строительные машины" Санкт-Петербургского государственного технического университета под руководством профессора Хархута Н.Я.
Исследование процесса уплотнения асфальтобетонных смесей в условиях простых путей нагружения
Отсюда следует, что основными закономерностями теории уплотнения дорожно-строительных материалов, в частности асфальтобетонных смесей, необходимыми для построения методов расчета деформаций и прочности материалов в процессе уплотнения, являются зависимости между деформациями и напряжениями материала в условиях трехосного сжатия.
Характерной и наиболее яркой особенностью асфальтобетонных смесей является преимущественно пластическое их деформирование практически с момента загружения. Развитие пластических (остаточных) деформаций, составляющих, как правило, большую часть полных деформаций, обусловливает нелинейную, а в условиях большого диапазона изменения нагрузок - существенно нелинейную зависимость между напряжениями и деформациями, а также ряд других особенностей поведения асфальтобетонных смесей [94, 98, 206, 207].
В нелинейной механике грунтов [38, 39, 51, 56, 64, 71, 79, 85, 86, 151, 171, 173, 186, 187, 195, 250, 252, 254, 255, 266, 282, 300], изучающей грунт как нелинейно деформируемую (упругопластическую) среду, большую роль в описании напряженно-деформированного состояния грунта и закономерностей его изменения играют инварианты, составленные из компонентов тензора напряжений ац и деформаций у [156]. Применение указанных инвариантов началось с появления и развития исследований грунтов в приборах, позволяющих осуществить двух- и трехосное деформирование образцов в условиях сложного напряженного состояния [37, 39, 79, 195, 206, 207, 248, 250, 261, 308, 310, 316, 317].
Любой тензор напряжений ац (или деформаций є;/) может быть записан в виде суммы тензора средних нормальных напряжений о0 (или деформаций е0) и девиатора тензора напряжений о ц (или деформаций $,.) Тензоры средних нормальных напряжений а0 и деформаций е0 связаны между собой с помощью операторного уравнения для всестороннего сжатия [139, 190], а девиаторы тензоров а ц и ер - с помощью операторного уравнения сдвига [139].
Традиционные и нетрадиционные уплотняющие рабочие органы дорожных катков и асфальтоукладчиков создают в основном вертикальные нагрузки, под действием которых формируется структура асфальтобетона. Вместе с тем асфальтобетон - это материал с явно выраженными реологическими свойствами [26, 32, 36, 81, 98, 107, 115, 116, 135, 150, 163, 203, 204, 205, 206, 207, 238, 271, 301, 302]. Для того, чтобы он мог в процессе эксплуатации в одинаковой степени сопротивляться воздействию как вертикальных, так и горизонтальных нагрузок, его надо уплотнять ("тренировать ) нагрузками тех же траекторий.
Проанализируем различные схемы взаимодействия рабочих органов дорожных машин для уплотнения асфальтобетонных смесей, рассматривая пространственную схему нагружения (деформирования).
Уплотнение гладковальновыми катками, а также рабочими органами асфальтоукладчика, схема нагружения которых аналогична вальцовым рабочим органам (рис.1.15, а), позволяет создавать при каждом проходе сложный (девиаторный в тензорном пространстве) режим нагружения материала. Девиаторный режим нагружения определяется разностью между вертикальным напряжением Г\ от статического давления под рабочим органом и боковым давлением материала а3 в уплотняемом слое (в зоне вальца). Максимальная величина вертикального напряжения ?i полностью определяется боковым давлением материала 7з. Это обусловливает сложность процесса уплотнения катками данного типа и их многообразие.
Уплотнение виброкатками, с точки зрения общих закономерностей поведения материала, является наиболее совершенным способом из числа традиционных способов уплотнения, так как сочетает достоинства многоциклового воздействия с основным преимуществом укатки, при котором наиболее полно реализуется девиаторное нагружение [264]. Пополнительным положительным фактором здесь является так называемое кажущееся повышение динамической прочности (по сравнению со статической), объясняемое инерционностью материала и, как следствие, несовпадением фаз вертикальных и горизонтальных динамических напряжений. В результате нагружение по девиаторным траекториям приводит материал, либо часть материала в предельное состояние при более высоком среднем напряжении, что способствует увеличению приращений плотности.
Однако, эффективность уплотнения виброкатком также сильно ограничена близостью предельного состояния, определяемого боковым давлением материала г3.
Энергоемкость процесса уплотнения асфальтобетонных смесей рабочими органами дорожных машин
К сожалению, автором четко не определена какая деформация долная или пластическая принимается за предельную при установлении условного предела текучести и не дается методика ее нахождения. Так, для металлов устанавливается предельная пластическая деформация равная ет s= 0,2% [189, 192], для грунтов СС.Вялов [56] рекомендует принимать предельную пластическую (остаточную) деформацию, равную 20%.
Автором [205] предложена оригинальная реологическая модель для описания поведения асфальтобетонных смесей при уплотнении. Однако, модель представляется очень сложной. По-видимому, именно до этой причине дается ее общее реологическое уравнение без его анализа и решения, а реологическая модель больше служит геометрической иллюстрацией при объяснении тех или иных явлений, происходящих при уплотнении асфальтобетонных смесей.
Критерий наибольших нормальных напряжений. Пластическая деформация или разрушение наступают тогда, когда наибольшее по абсолютной величине главное напряжение достигает некоторого предельного значения.
Существующая теория уплотнения укаткой сводится к нагружению полупространства жестким круглым штампом. Эта схема позволяет использовать решения теории упругости для рассмотрения напряженно-деформированного состояния уплотняемого материала под рабочими органами уплотняющих машин. Согласно этим решениям напряжения по глубине изменяются по экспоненциальному закону. Иванов Н.Н. [91] показал, что предельная глубина зависит от диаметра штампа и составляет 3,5 - ц («Ь - диаметр штампа), что получило экспериментальное подтверждение [268, 270].
Под штампом формируется зона, где реализуется 80% всей необратимой деформации. Плотность уплотняемого материала в этой зоне одинаковая. С внешней стороны она ограничена поверхностью контакта, а со стороны остального объема материала - поверхностью, близкой к поверхности полусферы. Расположенный в этой зоне объем грунта получил название уплотненного ядра. В процессе образования такого ядра деформация материала в основном происходит за счет сближения его отдельных частиц и их агрегатов, т.е. за счет уплотнения [270]. Увеличение нагрузки вызывает перемещение штампа вместе с уплотненным ядром. Такое перемещение будет происходить за счет пластических сдвигов, возникающих в уплотняемом материале вблизи нижних границ уплотненного ядра. При этих пластических сдвигах материал из-под уплотненного ядра перемещается в стороны, что приводит к его разрушению.
Таким образом, "... на определенной стадии развития деформации происходит качественный переход ее от развития с изменением объема к развитию без изменения последнего" [268, 270], Этот переход характеризует собой начало разрушения слоя или полупространства. То контактное давление, при котором начинается такое разрушение называется пределом прочности гр [268, 270].
Используя те же физические представления Т.Н.Сергеевой [248], в качестве критерия разрушения принят предел прочности материала на сдвиг (трактовка Т.Н.Сергеевой), о чем будет сказано ниже.
В то же время необходимо сделать замечание по формулировке определения предела прочности уплотняемого материала. Дело в том, что изменение объема материала происходит в случаях как уплотнения, так и разрушения. Только в первом случае происходит уменьшение объема вследствие его уплотнения, а во втором - увеличение вследствие разрыхления. Этот процесс присущ практически всем материалам, встречающимся в природе. Поэтому предел прочности по определению Н.Я.Хархута есть точка, которая и характеризует процесс перехода от уплотнения к разрушению (точка А, рис.1.20). Однако, как показывают теоретические расчеты и экспериментальные исследования [22, 38, 39, 56, 64, 85, 86, 112, 115, 151, 171, 186, 187, 190, 195, 202, 231, 233, 234, 252, 254, 255, 261, 262, 266, 282, 298, 300, 309], максимального значения деформации уплотнения достигают при значениях напряжений ниже предельных и производить процесс уплотнения при напряжениях, близких к предельным, неэффективно, о чем свидетельствуют и данные [228].
Уравнение (1.9) не учитывает предысторию и историю нагружения материала и поэтому может быть применено только к неупрочненным материалам и для описания однократного их нагружения. Тогда полная деформация є неупрочненного материала после мгновенного приложения нагрузки и последующей ползучести в течение времени может нагрузки, состоит из трех составляющих: обратимой (первое слагаемое правой части выражения (1.11), зависящей от модуля упругости Е; той части необратимой деформации, которая развивается с высокими скоростями и может быть определена при помощи модуля необратимой деформации П (второе слагаемое) и вязкой части необратимой деформации, определяемой параметрами г}0их (третье слагаемое).
В случае деформирования неупрочненного материала при однократном натр ужении, при скоростях нагружения менее 1 МП а/с в выражении (1.11) пренебрегают вязкой составляющей деформации и вместо модулей Б и П вводится один Е0 модуль деформации, что оправдано только для однократного нагружения. Кроме того, модуль деформации становится не характеристикой материала, а характеристикой системы "уплотняемый материал - рабочий орган уплотнителя1 и определяется уже параметрами системы. Все особенности уплотнения (условия, схема производства работ, тип рабочего органа, траектория нагружения) учитываются данным параметром, но только при простом нагружении. В остальных случаях необратимую деформацию при циклических на-гружениях определяют по зависимости (1.11), в которой вместо времени t вводится эквивалентное время действия нагрузки іьо.
