Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор систем непрерывного контроля уплотнения грунта для вибрационных катков 11
1.1 Показатели уплотнения грунта, используемые в системах непрерывного контроля уплотнения грунта 11
1.2 Сравнение показателей уплотнения для систем непрерывного контроля уплотнения грунта вибрационными катками 26
2 Обзор теоретических исследований взаимодействия вибрационного катка с
2.1 Общие сведения 32
2.2 Реологическое моделирование процесса уплотнения грунта
2.3 Применение метода конечных элементов 65
2.4 Использование аналитических зависимостей 71
3 Разработка математической модели функционирования системы «рама вибрационный валец - уплотняемый грунт» 77
3.1 Математическая модель функционирования системы «рама -вибрационный валец - уплотняемый грунт» 77
3.2 Исследование воспроизведения математической моделью основных режимов колебаний вибрационного вальца 80
4. Экспериментальные исследования процесса взаимодействия вибрационного
4.1. Методика проведения экспериментальных исследований 89
4.2. Лабораторные экспериментальные исследования процесса взаимодействия вибрационного катка с уплотняемым грунтом 98
4.3. Полевые экспериментальные исследования процесса взаимодействия вибрационного катка с уплотняемым грунтом 109
4.4 Экспериментальное определение численных значений коэффициента упругого сопротивления сдвигу амортизаторов У 150.030 для
5. Обоснование параметров математической модели и проведение вычислительного эксперимента 128
5.1 Обоснование параметров элементов математической модели 128
5.2 Проведение вычислительного эксперимента по разработанной математической модели 142
5.3 Исследование влияния количества и характеристик амортизаторов на колебания вальца и рамы 144
Библиографический список 158
- Сравнение показателей уплотнения для систем непрерывного контроля уплотнения грунта вибрационными катками
- Реологическое моделирование процесса уплотнения грунта
- Исследование воспроизведения математической моделью основных режимов колебаний вибрационного вальца
- Полевые экспериментальные исследования процесса взаимодействия вибрационного катка с уплотняемым грунтом
Введение к работе
Актуальность темы исследования.
Уплотнение грунта - одна из ключевых операций при возведении дорожного полотна. Недоуплотнение является одной из основных причин нарушения ровности и преждевременного разрушения автодорог. В настоящее время в России проверка качества уплотнения проводится в соответствии с СП 78.13330.2012 «Свод правил. Автомобильные дороги» и проверка проводится лишь выборочно, затрагивая менее 1% от всей площади уплотненного участка. У операторов вибрационных грунтовых катков отечественного производства (а также вибрационных катков некоторых иностранных производителей) отсутствует информация о состоянии уплотняемого материала во время производства работ (уплотнения грунта), что, в свою очередь, не позволяет своевременно обнаруживать и устранять недоуплот-нённые участки и обеспечивать длительную прочность автомобильных дорог с учётом изменяющихся погодно-климатических условий. Особенно актуален вопрос контроля качества уплотнения каменных материалов, так как в нормативных документах Российской Федерации он недостаточно проработан.
Вышеперечисленные вопросы могут решаться за счет установки на вибрационные катки систем непрерывного контроля уплотнения грунта. В зарубежной практике данные системы уже достаточно давно включаются в базовую комплектацию большинства моделей вибрационных катков.
Таким образом, актуальной является разработка отечественной системы непрерывного контроля уплотнения грунта для вибрационных катков российского производства.
Степень разработанности.
Вопросы, касающиеся непрерывного контроля уплотнения грунтов, частично представлены в материалах производителей: AMMANN, В ОМ AG, ATLAS СОРСО (DYNAPAC), VOLVO и др. Теоретические исследования, касающиеся изучения процесса уплотнения грунта с применением вибрационного воздействия, рассмотрены в работах отечественных исследователей: Д.Д. Баркана, Л.В. Беспаловой, А.А. Борщевского, Г.Г. Бурого, В.Н. Владимирова, М.Д. Герасимова, С.Н. Глаголева, А.И. Доценко, В.М. Дудина, С.А. Евтюкова, Г.Г. Закирзакова, А.В. Захаренко, М.П. Зубанова, М.И. Капустина, М.П. Костельова, Г.В. Кустарева, СВ. Носова, С.А. Осмакова, В.Б. Пермякова, Вл. П. Подольского, Г.Н. Попова, Н.Н. Поповой, И.Г. Русакова, СВ. Савельева, Л.Р Ставницера, B.C. Серебренникова, О.А. Савинова, А.В. Телушкина, КС. Тюремнова, Ю.Ф. Устинова, Б.И. Филиппова, А.А. Харкевича, Н.Я. Хархуты, 3. Черневой-Поповой, А. А. Шестопалова, О.Я. Шехтера, а также зарубежных авто-ров: D. Adam, R. Al-Zahrani, R. Anderegg, J. L. Briaud, G. Chang, A. Dominik, P. Erdmann, S. Henke, B. Horan, D. Hren, H.M. Hiigel, K. Kaufmann, S. Kinzler, C. Meehan, M.A. Mooney, C.B. Pettersson, S. Rakowski, A. Rouaiguia, A.J. Sandstrm, J. A. Scherocman, D. Siminiati, T. Scullion, F.S. Tehrani, K. Uchiyama, P.G. Van Susante, P. KR. Vennapusa, D.J. White
Цель диссертационной работы.
Обоснование показателя уплотнения для системы непрерывного контроля уплотнения грунта вибрационными катками, позволяющей минимизировать вероятность недоуплотнения грунта и повысить качество работ при строительстве и реконструкции автомобильных дорог.
Поставленная цель определила следующие задачи:
Проанализировать принципы функционирования и возможности существующих систем непрерывного контроля уплотнения грунта вибрационными катками;
- Разработать новый показатель уплотнения для системы непрерывного кон
троля уплотнения грунта вибрационными катками;
Разработать математическую модель функционирования системы «рама -вибрационный валец - уплотняемый грунт»;
Экспериментально и теоретически обосновать расчет значений параметров элементов математической модели функционирования системы «рама - вибрационный валец - уплотняемый грунт»;
- Провести лабораторные и полевые экспериментальные исследования для те
стирования технологии расчёта значения предложенного показателя уплотнения
грунта и изучить влияние свойств грунта на значения предложенного показателя
уплотнения;
Провести вычислительный эксперимент для оценки адекватности отображения предложенным показателем уплотнения изменения коэффициента уплотнения грунта и оценить возможности использования математической модели для обоснования основных параметров вибрационного модуля катка при проектировании новых и модернизации существующих вибрационных катков.
Научная новизна работы:
- Предложен показатель уплотнения для системы непрерывного контроля
уплотнения грунта, отражающий как изменение плотности грунта в процессе его
уплотнения вибрационным катком, так и переход вибрационного вальца катка в
нежелательный режим «двойного прыжка»;
Разработана математическая модель функционирования системы «рама -вибрационный валец - уплотняемый грунт», отличающаяся подходом к определению моментов отрыва вибрационного вальца от грунта и последующего восстановления контакта, позволяющая анализировать различные режимы работы вибрационного вальца: в постоянном контакте с грунтом, с частичным отрывом от грунта и в режиме «двойного прыжка», с учётом характеристик вибрационного вальца, амортизаторов, массы рамы и характеристик уплотняемого грунта, а также получать спектры ускорений вибрационного вальца для дальнейшего расчёта показателей уплотнения.
Теоретическая и практическая значимость работы:
Разработана математическая модель функционирования системы «рама -вибрационный валец - уплотняемый грунт», позволяющая не только моделировать
функционирование системы непрерывного контроля уплотнения грунта вибрационным катком, но и решать широкий спектр задач, возникающих при проектировании новых и модернизации существующих вибрационных катков; - Предложен показатель уплотнения для системы непрерывного контроля уплотнения грунта вибрационными катками, обладающий, по сравнению с ранее используемыми показателями уплотнения, более высокой чувствительностью к изменению свойств грунта, а также возможностью индикации перехода вибрационного вальца катка в нежелательный режим «двойного прыжка»;
Исследовано влияние направления приложения нагрузки к амортизатору на численные значения коэффициентов упругого сопротивления сдвигу амортизатора У150.030 для вибрационных катков.
Реализация работы.
Общие положения разработанной математической модели функционирования системы «рама - вибрационный валец - уплотняемый грунт» используются в учебном процессе на кафедре «Строительные и дорожные машины» ЯГТУ по дисциплине «Основы научных исследований» по направлению подготовки 23.04.02 «Наземные транспортно-технологические комплексы», направленность подготовки «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» (АНТМ).
Спроектированный и изготовленный экспериментальный вибрационный валец используется в учебном процессе на кафедре «Строительные и дорожные машины» ЯГТУ по дисциплине «Технология и комплексная механизация производственных процессов» по направлению подготовки 23.05.01 «Наземные транспортно-технологические средства», специализация «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные средства и оборудование».
Математическая модель функционирования системы «рама - вибрационный валец - уплотняемый грунт», предложенная в диссертационном исследовании, принята к внедрению на предприятии Ярославской области ООО «Завод «Дорожных машин» (г. Рыбинск, Ярославская область).
Теоретическая и методологическая основа диссертационного исследования.
Методика исследований включала в себя: изучение принципов функционирования и сравнительную оценку возможностей систем непрерывного контроля уплотнения грунта вибрационными катками; обоснование актуальности работы и формулирование целей и задач диссертационного исследования; обзор теоретических исследований и обоснование теоретических подходов к разработке математической модели; разработку математической модели функционирования системы «рама - вибрационный валец - уплотняемый грунт»; полевые и лабораторные экспериментальные исследования функционирования системы «рама - вибрационный валец - уплотняемый грунт»; обоснование параметров математической модели путем сопоставления с экспериментальными данными; проведение вычислительного эксперимента для оценки поведения разработанного показателя уплотнения при различных режимах работы вибрационного катка и сравнения с существующими
показателями, расчет которых основан на анализе спектра ускорений вибрационного вальца катка.
При выполнении диссертационной работы использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования основывались на реологическом моделировании процесса уплотнения грунта вибрационным катком с использованием программного обеспечения MATLAB, а именно библиотеки функциональных блоков SIMULINK.
Экспериментальные исследования выполнялись с использованием спроектированного экспериментального вибрационного вальца, серийно выпускаемого вибрационного катка ДМ-614, акселерометров, датчика перемещения и анализатора спектра. Изменения свойств грунта контролировались режущими кольцами по ГОСТ 5180-84 и установкой динамического нагружения ZORN ZFG 3.0. Вычислительный эксперимент проводился на разработанной математической модели функционирования системы «рама - вибрационный валец - уплотняемый грунт», при этом обоснование значений параметров элементов модели проводилось с иеполь-зованием полученных экспериментальных данных.
Положения, выносимые на защиту:
- Показатель уплотнения для системы непрерывного контроля уплотнения
грунта, более чувствительный к изменению свойств грунта в процессе его уплот
нения вибрационным катком и индицирующий переход в нежелательный режим
«двойного прыжка»;
Математическая модель функционирования системы «рама - вибрационный валец - уплотняемый грунт», позволяющая анализировать различные режимы работы вибрационного вальца: в постоянном контакте с грунтом, с частичным отрывом от грунта и в режиме «двойного прыжка», с учётом характеристик вибрационного вальца, амортизаторов, массы рамы и характеристик уплотняемого грунта, а также получать спектры ускорений вибрационного вальца для дальнейшего расчёта показателей уплотнения.
Степень достоверности исследования обусловлена:
Применением апробированного метода реологического моделирования при теоретическом исследовании процессов взаимодействия элементов в системе «рама - вибрационный валец - уплотняемый грунт»;
- Использованием современного измерительного и регистрирующего оборудо
вания, а также современного программного обеспечения для проведения экспери
ментальных исследований;
Проведением вычислительного эксперимента и сопоставлением данных, полученных с использованием математической модели, с результатами проведенных экспериментальных исследований в полевых и лабораторных условиях.
Степень достоверности и апробация работы.
Основные положения и результаты проведенных исследований представлены в материалах международного семинара «Проблемы совершенствования конструкции строительных, дорожных, коммунальных и аэродромных машин» (МАДИ, 2013); докладывались на шестьдесят седьмой региональной научно-тех-
нической конференции студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием (Ярославль, 2014); представлены в материалах международной научно-практической конференции «Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе» (Пермь, 2014); XI и XII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Экология и научно-технический прогресс. Урбанистика» (Пермь, 2014, 2015).
Публикации. Основные результаты работы освещены в 14 научных публикациях, из них 2 в центральных научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, 12 в сборниках трудов международных конференций и семинаров.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов работы, библиографического списка и приложений. Содержит 180 страниц машинописного текста, 140 иллюстраций и 13 таблиц. Библиографический список включает 107 наименований.
Сравнение показателей уплотнения для систем непрерывного контроля уплотнения грунта вибрационными катками
Новый метод был представлен техническому сообществу на первой Международной конференции по уплотнению, которая состоялась в Париже во Франции в 1980 (Thurner и Sandstrom 1980, Forssblad 1980). Компания DYNAPAC начала коммерциализацию систем непрерывного контроля уплотнения на основе показателя уплотнения грунта CMV в 1980 году. На значение показателя уплотнения CMV влияет плотность грунта, модель дорожного грунтового вибрационного катка, значение вынуждающего усилия, частота вибрации, а также скорость движения вибрационного катка и др. Поэтому при определении показателя уплотнения CMV необходимо проводить калибровку на определенный грунт и для определенного вибрационного катка. Одни из ведущих фирм-производителей вибрационных катков (такие как CATERPILLAR, INGERSOLL RAND, DYNAPAC) используют системы измерения GEODYNAMIK. Измерительная часть данных систем содержит акселерометр (A-sensor), датчик частоты вибрации и процессор [90]. В системах непрерывного контроля уплотнения грунта фирмы GEODYNAMIK (такие как Compactometer, CompactoBar) получаемая информация о степени уплотнения грунта может выводиться на приборы стрелочного типа (отображение показателей уплотнения RMV, CMV, а также частоты вибрации), на компактную жидкокристаллическую панель, а также на индикатор уплотнения [90].
Известная североамериканская фирма TRIMBLE также занимается разработкой систем непрерывного контроля уплотнения грунта для вибрационных катков. Так, на современные катки фирмы VOLVO устанавливается система CCSFlex именно фирмы TRIMBLE. Данных о работе этой системы непрерывного контроля уплотнения не удалось найти, но есть основания полагать, что она работает по принципу определения показателя уплотнения грунта «Resonance Meter Value» (далее RMV).
Анализ спектра вертикальных ускорений вибрационного вальца вибрационного катка положен также в основу расчёта резонансного показателя уплотнения грунта RMV, называемого ещё также «Bouncing Value» (BV): RMV = BV = С--Щ, (1.2) Af где: A0 5f - амплитуда субгармоники спектра ускорения вибрационного вальца вибрационного катка с частотой изменения вынуждающего усилия 0.5/ (Рисунок 1.3), м/с2.
Показатель уплотнения RMV основывается на отслеживании перехода вибрационного вальца вибрационного катка из режима «частичный отрыв» («partial uplift», кратность колебаний 1) в режим «двойной прыжок» («double jump»). Режим «двойной прыжок» характеризуется субгармоническим режимом колебаний с кратностью колебаний вибрационного катка, равной 2. Такой режим приводит к снижению эффективности уплотнения грунта, ухудшению управляемости вибрационного катка при уплотнении, а также к повышению нагрузок на подшипниковые узлы и узлы крепления вибрационного вальца к раме вибрационного катка.
Системы непрерывного контроля уплотнения грунта, работа которых основывается на расчёте показателей CMV, RMV и MDP, применяются на вибрационных катках фирмы CATERPILLAR и VOLVO.
Для осцилляторных катков применяются системы непрерывного контроля уплотнения грунта на основе показателя уплотнения «Oscillo Meter Value» (далее OMV), который является аналогом показателя уплотнения CMV. OMV основывается на анализе ускорений оси вибрационного вальца в горизонтальной плоскости. Причем алгоритм расчёта OMV изменяется в зависимости от наличия проскальзывания между вибрационным вальцом и грунтом. Несмотря на то, что в публичных материалах отсутствуют в явном виде сведения о системе непрерывного контроля уплотнения грунта осцилляторными катками НАММ, есть основания полагать, что в основу функционирования систем контроля уплотнения НАММ положен именно показатель уплотнения OMV.
В 2004 году японский производитель строительной техники SAKAI предложил свой показатель уплотнения грунта для своих систем непрерывного контроля - «Compaction Control Value» (далее CCV) [99]. Данный показатель уплотнения грунта используется в настоящее время на системах непрерывного контроля уплотнения грунта SAKAI. Показатель уплотнения CCV основывается на анализе спектра вертикальных ускорений вибрационного вальца вибрационного катка. При определении CCV учитываются в дополнение к амплитудам гармоник спектра ускорения вибрационного вальца с частотами изменения вынуждающего усилия /и2/ (Рисунок 1.3), еще и дополнительные субгармоники: CCV = - Щ, -— 100%, (1.3) где: A1-5f - амплитуда субгармоники спектра ускорения вибрационного вальца с частотой изменения вынуждающего усилия 1.5/, м/с2; A2.sf - амплитуда субгармоники спектра ускорения вибрационного вальца с частотой 2.5/, м/с2; A3f - амплитуда гармоники спектра ускорения вибрационного вальца с частотой изменения вынуждающего усилия 3/, м/с2.
Работы по исследованию систем непрерывного контроля уплотнения грунта проводились еще 40 лет назад. Системы контроля в современном мире являются такими же естественными атрибутами вибрационных катков, как, например, гидроусилитель руля. Одними из самых распространенных на данный момент времени систем непрерывного контроля уплотнения являются системы, работа которых основана на расчёте показателей уплотнения грунта CMV и RMV. Однако системы на базе расчёта показателей CMV и RMV измеряют не прочностные свойства грунта, а косвенные показатели, основанные на анализе спектра ускорений вибрационного катка. Основной целью уплотнения грунта является обеспечение прочности грунта, т.е. способности выдерживать динамические и статические нагрузки от транспорта, вышележащих слоев грунта и дорожных одежд. Таким образом, производители не стали ограничиваться показателями уплотнения CMV и RMV и спустя непродолжительное время начали поиск альтернативных подходов к реализации непрерывного контроля уплотнения грунта.
Одним из показателей уплотнения грунта, для определения которого не используется акселерометр для регистрации ускорений вибрационного вальца вибрационного катка, является показатель уплотнения «Machine Drive Power» (далее MDP), который используется на системах непрерывного контроля уплотнения на вибрационных катках фирмы CATERPILLAR. Данный показатель уплотнения основан на анализе изменения потребляемой мощности при уплотнении грунта вибрационным катком. Применение показателя уплотнения MDP для контроля процесса уплотнения грунта основано на уменьшении глубины погружения вибрационного вальца в грунт и снижении сопротивления передвижению катка при увеличении плотности грунта в процессе уплотнения его вибрационным катком:
Реологическое моделирование процесса уплотнения грунта
Авторы представили дифференциальное уравнение, которое описывает движение вибратора в режиме постоянного контакта с ограничителем: M-x\ + b-Xl + Р0 in(d)t) при (2.8) 2 Х — Х Ь-х1+х1-с 0 где: М - масса вибратора; G - постоянная сила, действующая на вибратор; с -коэффициент упругого сопротивления ограничителя; Ъ - коэффициент вязкого сопротивления ограничителя; Р0 - амплитудное значение вынуждающего усилия; со - частота колебаний вибровозбудителя. Уравнение движения вибратора в режиме отрыва от ограничителя: M Xl = G + P sm(f ]приХі Х2- (2.9) D X2 + С X2 — 0 J
Авторы отмечают, что наиболее эффективным методом решения уравнений (2.9) и (2.10) является моделирование на ЭВМ и ЭАМ.
Исследования проводились с целью определения границ областей устойчивых одноударных периодических колебаний с периодом вынуждающего усилия. Моделирование проводилось на электронной аналоговой машине МН-7. При этом приводилось понятие относительного вынуждающего усилия: Qo = тт, (2.10)
В результате моделирования были получены осциллограммы перемещений. Из данных осциллограмм видно, что с изменением относительного вынуждающего усилия меняется также характер движения вибратора. При определенном значении Q0 вибратор работает в режиме постоянного контакта с ограничителем (безотрывный режим). При росте Q0 вибратор переходит в ударный режим с периодом вынуждающего усилия Т. При дальнейшем увеличении Q0 наблюдаются субгармонические колебания вибратора.
В данной работе авторами были построены области одноударных колебаний с периодом возмущающего усилия при различных значениях относительной вязкости, а также графики зависимости скорости в момент удара вибратора об ограничитель от величины возмущающего усилия. Анализируя полученные результаты, авторы делают следующие выводы: - Введение диссипативного сопротивления в значительной мере изменяет область существования устойчивых одноударных колебаний вибратора с периодом вынуждающего усилия. Увеличение относительной вязкости приводит к расширению области одноударных колебаний. - Повышение диссипативного сопротивления ограничителя снижает скорость в момент удара вибратора об ограничитель при постоянном вынуждающем усилии. Однако, вследствие расширения границ области одноударных колебаний, можно добиться повышения значения ее за счет увеличения вынуждающего усилия до граничного значения.
Представленная схема вибратора, опирающегося на упруго-вязкий ограничитель, в значительной мере лучше отражает процесс уплотнения грунта вибрационными машинами (удар об упруго-вязкий ограничитель), чем схемы, представленные в предыдущих работах. Дифференциальные уравнения, описывающие работу вибратора при различных режимах работы, имеют простой и понятный вид. Однако в своих исследованиях авторы не рассматривают влияние режимов колебаний вибратора на распространение напряжений в более глубокие слои грунта, исследуя лишь напряженное состояние на поверхности.
В своей работе [87] авторы Anderegg, Von Felten и Kaufmann рассматривают одномассную нелинейную динамическую модель функционирования системы «вибрационный валец-уплотняемый грунт» для вибрационных катков и плит (Рисунок 2.5).
По данной динамической модели вычисляется вынуждающее усилие: Fs = (mf + md)-g+ mere П2 cos(/2t) - md "x, (2.11) где: md - масса вибрационного вальца, кг; щ - масса рамы вибрационного вальца, кг; х - вертикальное перемещение вибрационного вальца, м; теге - момент эксцентриковых масс, кгм; П - круговая частота колебаний, Гц. Также вынуждающее усилие может быть записано как: Fs= ks-xd + cs-xdl (2.12) где: ks- коэффициент упругого сопротивления грунта, Н/м; cs- коэффициент вязкого сопротивления грунта, Нс/м. Перемещение вибрационного вальца может быть записано в виде уравнения: (2.13) где: фi - фазовое отставание между зарождающейся динамической силой и частью вальца, смещенной на частоту if, Град. Рама Fs = -max/+Fzcos(Qt)+(m +ma)g Fz = mereQ2;n=2nf;x;=d2xd/dt2 F 0:x=x=x Рисунок 2.5 - Одномассная динамическая модель функционирования системы «вибрационный валец - уплотняемый грунт» [87]
Представленная авторами модель действует при условии, что частота возбуждения намного выше, чем резонансная частота элементов подвески. В этом случае статический вес рамы может рассматриваться как сила, действующая статически на вибрирующую массу. Более продвинутые модели учитывают горизонтальные и поворотные ускорения, а также вибрации рамы для вибрационных катков, осцилляторных катков и катков с направленным возбуждением. Данная модель прошла множество проверок на практике, не только на тандемном катке при уплотнении асфальта, но также и на одновальцовом вибрационном грунтовом катке. Использование простой пружинно-амортизационной модели адекватно для описания взаимодействия между вибрирующей массой и упругим грунтом.
Существенное проявление нелинейности системы «вибрационный валец-уплотняемый грунт» возникает вследствие периодических потерь контакта между вибрирующей массой катка (вибрационным вальцом) и поверхностью грунта под ним, как только максимальная сила реакции грунта становится в два раза больше, чем статический вес машины.
Следующая расчетная модель вибрационного катка с учётом пластических деформаций и диссипативных свойств уплотняемой среды была предложена Г.Н. Поповым [44].
Исследование воспроизведения математической моделью основных режимов колебаний вибрационного вальца
При разработке систем непрерывного контроля уплотнения грунта возникает необходимость проведения большого количества полевых и лабораторных экспериментов. Однако это процесс является достаточно дорогим с точки зрения затраченных усилий и средств. Поэтому разработка математической модели, которая позволяла бы моделировать процесс уплотнения различных грунтов вибрационными катками с изменяющимися в широком спектре характеристиками, является одной из приоритетных и важных задач.
Так как вибрационный каток при уплотнении грунта может работать в режиме постоянного контакта вибрационного вальца с уплотняемым грунтом, в режиме частичного отрыва вальца от уплотняемого грунта (основной режим при уплотнении) и в режиме «двойного прыжка», разрабатываемая математическая модель должна учитывать переходы катка из одного режима в другой.
В качестве программного обеспечения для описания процессов, возникающих при взаимодействии вибрационного катка с уплотняемым грунтом, было принято решение использовать программное обеспечение MATLAB (библиотека блоков-диаграмм Simulink).
Одной из самых оптимальных моделей, способных наиболее точно описать процесс уплотнения грунта вибрационным катком, является трёхмассная реологическая модель.
Начальные условия: при t =0, xd = xs = 0; xd = xs = 0, где: rrif - масса рамы вибрационного вальца, кг; md - масса вибрационного вальца, кг; ms - масса присоединённого грунта, кг; xf - ускорение рамы вибрационного вальца, м/с2; xd - ускорение вибрационного вальца, м/с2; bf - коэффициент вязкого сопротивления амортизаторов, соединяющих вибрационный валец и раму вибрационного вальца, Н-с/м2; bs - коэффициент вязкого сопротивления грунта, Н-с/м2; Xf - вертикальная скорость перемещения рамы вибрационного вальца, м/с; xd - вертикальная скорость перемещения вибрационного вальца, м/с; xs -вертикальная скорость перемещения грунта, м/с; kf - коэффициент упругого сопротивления амортизаторов, соединяющих вибрационный валец и раму вальца, Н/м; ks - коэффициент упругого сопротивления грунта, Н/м; Xf - вертикальная координата рамы вибрационного вальца, м; xd - вертикальная координата вибрационного вальца, м; xs - вертикальная координата грунта, м; д - ускорение свободного падения, м/с2; Р - вынуждающее усилие, кН; со - угловая скорость вибровозбудителя, рад/с.
В процессе уплотнения грунта вибрационным катком постоянно меняется тип взаимодействия вибрационного вальца с уплотняемым грунтом (наличие контакта с грунтом или отрыв вальца от грунта). В связи с этим невозможно получить общее аналитическое решение систем уравнений (3.1) и (3.2). Следовательно, для обоснования перехода к решению соответствующей системы дифференциальных уравнений математической модели необходимо определение моментов времени начала отрыва вальца от грунта и восстановления контакта вальца с грунтом. Особенностью предлагаемой математической модели является использование в качестве критерия начала отрыва вальца от грунта условия превышение скоростью вибрационного вальца скорости движения поверхности грунта: xd xs. В качестве критерия восстановления контакта используется условие равенства координат вибрационного вальца и поверхности грунта: xd xs.
Использование данного набора условий является составляющей научной новизны работы, поскольку оригинальный подход к расчету моментов начала отрыва вибрационного вальца от грунта и восстановления контакта позволяет уточнить временные и силовые параметры взаимодействия между вибрационным вальцом и уплотняемым грунтом с учётом масс вальца, рамы и присоединённого грунта, характеристик грунта и амортизаторов.
Для оценки адекватности воспроизведения математической моделью основных особенностей функционирования системы «рама - вибрационный валец - уплотняемый грунт» производится расчет при различных коэффициентах упругого сопротивления и фиксированных параметрах вибрационного катка.
Решение систем уравнений производилось в среде MatLab с использованием библиотеки функциональных блоков Simulink. Структурная схема математической модели представлена на рисунке (Рисунок 3.2).
Блок-схема с алгоритмом расчёта систем дифференциальных уравнений (3.1) и (3.2) математической модели в MatLab Simulink представлена на рисунке (Рисунок 3.3).
При решении математической модели было сделано допущение о том, что масса присоединённого грунта на протяжении всего времени остается неизменной и равна 20% от массы вибрационного грунта [104]. Были получены следующие графики при заданных в математической модели различных значениях коэффициентов упругого сопротивления грунта:
Полевые экспериментальные исследования процесса взаимодействия вибрационного катка с уплотняемым грунтом
Полевой эксперимент проводился на полигоне рыбинского «Завода «Дорожных машин» (далее РЗДМ) (Рисунок 4.35). Для проведения эксперимента заводом был выделен дорожный грунтовый вибрационный каток ДМ-614. Характеристики катка ДМ-614 представлены в таблице (Таблица 4.6). В полевом эксперименте использовалась измерительная система, которая применялась в ходе проведения лабораторных экспериментов. В измерительную систему входят: анализатор спектра, акселерометр АР99-100, лазерный датчик перемещения BAUMER OADM 13U6480/S35A, аккумулятор, установка динамического нагружения ZFG 3.0 фирмы ZORN.
Целью проведения полевого эксперимента являлось тестирование в полевых условиях измерительной системы и получение осциллограмм ускорений вибрационного вальца натурного грунтового вибрационного катка, а также амплитуд колебаний вибрационного вальца для последующего сравнения с результатами расчёта на математической модели.
В полевом эксперименте использовалась измерительная система, которая применялась в ходе проведения лабораторных экспериментов. В измерительную систему входят: анализатор спектра, акселерометр АР99-100, лазерный датчик перемещения BAUMER OADM 13U6480/S35A, аккумулятор, установка динамического нагружения ZFG 3.0 фирмы ZORN.
В ходе проведения полевого эксперимента вибрационным катком ДМ-614 было произведено 18 проходов. В течении каждого прохода для расчёта показателей уплотнения (CMV, CCV, CV) снимались данные с акселерометра АР99-100. Полученные осциллограммы ускорений вибрационного вальца раскладывались в спектр, далее производился расчёт показателей уплотнения. С использованием установки динамического нагружения ZFG 3.0 фирмы ZORN после первого, пятого, девятого и восемнадцатого прохода был измерен динамический модуль деформации грунта Evd (Рисунок 4.36).
Измерительной системой записывались данные по перемещению и ускорению вибрационного вальца, составлялись спектры ускорений вальца вибрационного катка ДМ-614 в течение каждого прохода (Рисунок 4.37 - Рисунок 4.45). Значения ускорений и перемещений вибрационного вальца, а также вид графиков ускорений и перемещений незначительно изменялись в течение всех проходов, как и вид спектров ускорений. Перемещение Проход 1 РЗДМПеремзщение(Ф) 67.760101 MVI
На рисунке (Рисунок 4.46) представлена зависимость показателей уплотнения, основанных на анализе спектров ускорений вибрационного вальца катка ДМ-614 (CMV, CCV, CV), от динамического модуля деформации Evd, на расчёте которого основана работа применяемой в настоящее время для оценки качества уплотнения грунта установки динамического нагружения ZFG 3.0 фирмы ZORN.
На графике прослеживается рост значений всех параметров с ростом значений динамического модуля деформации.
Экспериментальное определение численных значений коэффициента упругого сопротивления сдвигу амортизаторов У150.030 для вибрационных катков Одной из наиболее подходящих реологических моделей для описания процесса уплотнения грунта вибрационным катком является трёхмассная модель, ранее рассмотренная в главе 3 (Рисунок 4.47)
Амортизаторы вибрационного вальца вибрационного дорожного катка можно смоделировать путем параллельной установки элементов Кулона и Ньютона, которые характеризуются соответственно коэффициентами упругого kj и вязкого hj сопротивления. Аналогичным образом моделируются упругие и вязкие сопротивления уплотняемого грунта (коэффициент упругого ks и вязкого bs сопротивления). При реологическом моделировании адекватность результатов во многом будет оцениваться обоснованным выбором значений характеристик элементов реологической модели: масс колеблющихся элементов (рамы вальца, вальца, присоединённого грунта) и коэффициентов упругого и вязкого сопротивлений уплотняемого грунта и амортизаторов вибрационного вальца. Обоснование значений ks и bs возможно с использованием зависимостей, предложенных в материале [67]. Определение значения массы присоединённого грунта до сих пор является предметом дискуссий и может быть обосновано, например, на основании данных, предоставленных учеными: Г.Г. Бурым [5], А.И. Доценко [16], СВ. Савельевым [5], Б.И. Филипповым [76], М.А. Моопеу [102], P.G. Van Susante [102]. Характеристики элементов упругого kj и вязкого hj сопротивления амортизаторов реологической модели необходимо обосновывать с учётом типа и количества амортизаторов, устанавливаемых на моделируемом вибрационном катке.
Ведущие российские производители вибрационных катков ОАО «РАСКАТ» и ООО «Завод «Дорожных машин» (г. Рыбинск Ярославской области) используют в конструкциях своих вибрационных катков резинометаллические амортизаторы У 150.030 производства АО «Ярославль-Резинотехника» (Рисунок 4.48). Коэффициент упругого сопротивления амортизатора определяется по формуле [68]: kf = R/Zf, (4.4) где: R - усилие, приложенное к амортизатору, Н; Zf - деформация амортизатора, м. Резинометаллический амортизатор У 150.030 представляет собой резиновый элемент, закрепленный между двумя металлическими пластинами с отверстиями для крепления на вибрационную машину (Рисунок 4.48). Амортизатор может работать на сдвиг, на сжатие и на сдвиг со сжатием. При работе вибрационного катка амортизаторы вибрационного вальца работают только на сдвиг, поэтому испытания амортизаторов проводились в специально спроектированном устройстве (Рисунок 4.49), обеспечивающем только деформацию сдвига.
Для исключения отрыва металлической пластины от упругого элемента, перекоса и разрушения амортизатора, в устройстве устанавливались и испытывались одновременно два амортизатора У 150.030 (Рисунок 4.49, Рисунок 4.50).
Для исследования влияния направления приложенной нагрузки на характеристики амортизатора испытательное устройство имело две площадки для приложения нагрузки к амортизаторам на сдвиг как в продольном, так и в поперечном направлении (Рисунок 4.49, Рисунок 4.50).
Испытания проводились на кафедре «Строительные и дорожные машины» ЯГТУ. Нагрузка создавалась прессом П-50 (максимальное усилие 500 кН) и регистрировалась электронным динамометром АЦД/2С-100/44-2. Перемещение амортизаторов в процессе испытаний регистрировалось лазерным датчиком перемещения BAUMER OADM 13U6480/S35A и дублировалось по вертикально установленной линейке. Показания электронного динамометра и лазерного датчика перемещений синхронно записывались на ЭВМ при помощи анализатора спектра ZETLAB 017-U8 и программы ZETLAB 15.04.