Введение к работе
Актуальность проблемы. Социально-экономическое развитие страны связано с эффективной работой автотранспорта, что во многом определяется уровнем развития и состоянием сети автомобильных дорог. Существующее состояние дорожной сети не удовлетворяет современным требованиям народ-пого хозяйства, которое из-за низкого качества дорог несет огромпые потери. Поэтому "Программой совершенствования и развития автомобильных дорог РФ на период до 2010 года" предусмотрено существенное увеличение работ по строительству и ремонту автодорог. Выполнение этой программы в решающей степени зависит от создания новой высокопроизводительной техники, рассчитанной на комплексную механизацию и автоматизацию работ.
Важнейшим звеном технологического процесса строительства дорог является уплотнение покрытий, среди которых наибольшее распространение получили асфальтобетонные. От качества уплотнения зависят долговечность покрытия, его эксплуатационные свойства и безопасность движения автотранспорта. Сроки службы асфальтобетонных покрытий значительно меньше нормативных. Основной причиной такого положения следует считать недо-уплотпенис, приводящее к преждевременному разрушению покрытий.
Уплотнение асфальтобетонных покрытий осуществляется самоходными катками различных типов. Особенностью процесса уплотнения горячих асфальтобетонных смесей является необходимость постоянного повышения уплотняющей нагрузки но мере возрастания жесткости и прочности смеси. Конструкции существующих катков не позволяют во время укатки регулировать в необходимых пределах (в 7-Ю раз) давление вальцов па уплотняемую поверхность. Поэтому для изменения уплотняющей нагрузки приходится использовать несколько различных по массе или способу воздействия на материал катков, которые в процессе уплотнения последовательно сменяют друг друга. Однако и в этом случае не удается соблюдать основное условие, при котором процесс уплотнения наиболее эффективен. Оно заключается в том, что уплотняющая нагрузка на всем протяжении укатки должна быть близка к оптимальной величине. Последняя зависит, главным образом, от температуры, плотности и тина асфальтобетона и должна определяться из условия развития пластических деформаций па всю толщину уплотняемого слоя.
Ввиду достаточно быстрого изменения температуры и плотности асфальтобетона по длине укатываемой полосы высокое качество регулирования нагрузки на уплотняемый материал можно обеспечить только при автоматизации этого процесса. Для этих целей необходимо создавать катки с оборудованием, позволяющим в. зависимости от измспепия параметров асфальтобетона автоматически регулировать, давление вальцов па покрытие по заданному закону и в широких пределах. Добиться этого можно, например, путем
оснащения виброкатков системами автоматического регулирования вибрационных параметров, а катков статического действия - автоматическим вакуумным балластным устройством, которое, помимо регулирования давления катка, позволяет интенсифицировать процесс уплотнения асфальтобетона за счет его вакуумирования.
Управление укаткой асфальтобетона невозможно без информации о текущих значениях его температуры и плотности. В связи с этим необходимо решить задачу создания систем контроля параметров асфальтобетона на дорожных катках. Современные катки практически не оснащены такими средствами, а качество уплотнения контролируется путем испытаний вырубок, взятых из готового покрытия уже после завершения строительства. Кроме того, следует установить закономерности изменения оптимальной величины-силового воздействия катков в ходе укатки, что требует решения оптимизационных задач.на основе исследования взаимодействия рабочих органов катков с уплотняемым материалом.
Значимость и актуальность проблемы автоматизации процесса укатки обоснованы тем, что ее решение позволит существенно повысить эффективность работы катков, улучшить качество асфальтобетонных покрытий и условия работы оператора. Для этого пеобходимо провести цикл исследований, направленных на комплексное решение вышеназванных задач и разработку на этой базе научных основ создания дорожных катков с автоматизированным оборудоваиием для ^обеспечения заданных режимов укатки. Этому и посвящена настоящая диссертационная работа.
Целью исследований является разработка теоретических и методологических основ создания и практических рекомендаций по применению дорожных катков с автоматизированным оборудованием для уплотнения асфальтобетона, направленных па экономию материальных ресурсов, повышение производительности и Качества работ, улучшение условий труда оператора. Указанная цель определила перечень шшовимх задач исследований, согласно которому необходимо было осуществить следующее.
-
Проанализировать пути повышения эффективности работы катков и определить наиболее перспективные из них, в том числе с позиции возможности автоматизации процесса укатки. Оценить состояние и перспективы автоматизации процессов уплотнения дорожно-строитсльных материалов и выработать на примере катков общий подход к решению проблем создания автоматизированных уплотняющих машин.
-
Разработать математическую модель процесса взаимодействия рабочих органов дорожных катков с уплотняемым материалом, лежащим на многослойном основании, и на ее основе изучить характер измсисния напряженно-деформированного состояния слоя асфальтобетона в процессе укатки.
-
Сформулировать, обосновать и реализовать теоретические и методические положения, позволяющие путем оптимизации параметров м режимов
работы катков добиться существенного повышения эффективности укатки. Устаповить закономерности изменения силового воздействия катков в зависимости от изменения свойств асфальтобетонных смесей при их уплотнении.
4. Разработать теоретические и методологические осповы создания средств для балластировки катков и контроля плотности асфальтобетона, использующих в работе припцип вакуумировапия уплотняемого материала.
Si Определить требовапия к устанавливаемым на катках автоматическим системам. Обосновать функциональные схемы и построить математические модели объектов упрарления автоматических систем катков, осуществить их практическую реализацию и оценить качество функционирования.
6. Провести комплекс исследований по определению рациональных конструктивных и режимпых параметров, алгоритмов функционирования, статических и динамических характеристик автоматизируемого оборудования для реализации оптимальных технологических процессов укатки. Дать рекомендации по расчету, проектированию и применению автоматизированных дорожных катков, а также оцепить эффективность их использования при уплотнении асфальтобетонных смесей.
На затитУ--В.ьгаосяхся следующие результаты, полученные лично автором и обладающие паучпой новизной:
-
Математическая модель процесса взаимодействия рабочего органа катка с уплотняемым слоем асфальтобетона, учитывающая одновременно упруго-пластические свойства асфальтобетона, влияние мпогослойпого упругого основания и криволипейпость поверхности рабочего органа.
-
Постаповка задачи оптимизации и разработанные в результате се решения методики выбора оптимальных параметров рабочих органов катков, определения оптимальных режимов укатки, подбора оптимальпого состава звена катков при уплотнении асфальтобетопных смесей.
-
Математическая модель процесса взаимодействия вакуумного балластного устройства с конструктивными слоями дорожной одежды, описывающая процессы фильтрации воздуха через слоистую систему и деформации уплотняемого слоя асфальтобетона в полость вакуумной камеры.
-
Области рациональной работы и закономерности изменспия оптимальной величины силового воздействия катков статического и вибрационного действия При укатке асфальтобетопных смесей, а также функциональные схемы и технические требовапия к. автоматизированным системам для их реализации.
-
Аналитическое описапие балластного устройства как объекта регулирования, полученные на его основе зависимости статических и динамических характеристик вакуумпой камеры от ее конструктивных параметров и свойств уплотняемого материала.
-
Методики определения рациональных параметров и рабочих режимов автоматизированных устройств для оперативного контроля плотности ас-
фальтобетоиа и вакуумной' балластировки катков, а также рекомендации до
проектированию и использованию .сатков с автоматизированным оборудова
нием. ' , -
7. Основы автоматизированной технологии уплотнения асфальтобетона, которая позволяет достигать нормативной плотности путем использования только катка с автоматическим вакуумным балластным, устройством и значительно повысить производительность укатки при более высоком качестве го-' тового покрытия.
Достоверность паучных_лодожеяиш.^ЫВлаод^.^КОМЩ1апжй диссертационной работы базируется на накопленном опыте теоретических и экспериментальных исследований, проектирования дорожных катков и систем управления; на использовании апробированных методов механики сплошных сред, теории фильтрации жидкостей и газов, теорий упругости, пластичности н автоматического регулирования, математической статистики, методов конечных элементов, оптимизации, анализа размерностей и планирования эксперимента.
Достоверность и точность разработанных математических моделей дока
зана путем сопоставления теоретических данных с экспериментальными, в
том числе полученными в ходе производственных испытаний опытных образ
цов катков.
Практическая ленностьработьі. Определены перспективные пути повышения эффективности работьг дорожных катков и обоснован системный подход к решению проблем создания автоматизированных уплотняющих машин, что дает возможность выявить эффективные направления исследовании и решать указанные проблемы с единых методологических позиций.
Предложенные математические модели, методики, реализованные в виде пакета программ, и рекомендации позволяют на стадии проектирования производить выбор оптимальных или рациональных параметров рабочих органов катков и устанавливаемого на них автоматизированного оборудования для управления процессом укатки, а также определять эффективные режимы работы различных типов катков и подбирать их оптимальные комплекты при уплотнении асфальтобетонных смесей.
. Установлены закономерности изменения оптимальных параметров воздействия статических и вибрационных катков на уплотняемый материал, которые могут быть положены в основу проектируемых САР.
Предложены и созданы для использования па катках натурные образцы автоматизированных систем контроля параметров асфальтобетона и регулирования давления на уплотняемую поверхность, позволяющие обеспечивать заданный режим укатки. Даны практические рекомендации но проектированию и использованию катков с автоматизированным оборудованием.
Е.салпзааия_р.сзультз1Эй_работы. Основные положения, выводы и рс-' коменданті диссертационной работы использованы:
- при проектировании п изготовлении катков с вакуумным балластным уст
ройством па Калиппиградском заводе "Стройдормаш" (массой 4 тонны) и в
АО "Раскат" г. Рыбинска (массой б толп);
при проектировании и изготовлении информаппопно-измерктельпой системы обеспечения рациональных режимов ухатаи в АО "Раскат" г. Рыбип-ска;
в процессе эксплуатации катков, оснащепных вакуумными балластными устройствами и информационно-измерительными системами, на строительных объектах ПО "Лепазтодор" и треста "Лендорстрой";
в виде методик выбора оптимальных параметров рабочих органов и режимов работы катков, переданпых па заводы г. Калининграда и г. Рыбинска;
в нормативном документе "Временные методические рекомендации по применению устройства контроля плотности асфальтобетонных покрытий" (Мппавтодор РСФСР, 1990 г.);
в учебном процессе СПбГТУ в курсе "Автоматизация в строительстве", ко-тор;,гй автор читает для студентов специальности "Подъемно-траиспортпые, строительные и дорожные машины", а также в курсовом и дипломном проектировании.
Алробдция_рзботьі. Основпы-j результаты работы докладывались, обсуждались и демонстрировались па: Международных и Всесоюзных конференциях, совещаниях и выставках в Москве (1976, 1979, 1981 и 1996 гг.); Республиканских конференциях в Киеве (1983 г.), Санкт-Петербурге (1992 и 1995 гг.), Могилеве (1996 г.); паучно-технических конференциях и совещаниях во ВНИИстройдормаш (1980 и 198S гг.), СоюздорНИИ (1989 г.), ЛПИ (1981 и 1983 гг.), ЛИСИ (1986, 1993 и 1994 гг.); научно-технических советах предприятий-заказчиков хоздоговорных работ и семинарах кафедры ПТСМ.
Пубдикашш. Основное содержание работы изложено в 40 печатных трудах, 7 авторских свидетельствах и патентах, 7 отчетах о НИР.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы лз 246 наименований и приложений. Общий объем работы 396 страниц, в том'числе 236 страниц основного текста, 132 рисунка и 26 таблиц па 91 странице.
При выполнении работы автор пользовался паучпыми консультациями профессора, докт.техи.иаук А.А.Шсстопалова и доцепта, канд.техп.паук И.П.Петрова.
