Введение к работе
Актуальность работы. Министерством транспорта Российской Федерации поставлена задача развития транспортной инфраструктуры страны. Это подразумевает увеличение темпа и объема строительства автомобильных дорог в ближайшие годы. Для ее решения необходимо создание новых высокопроизводительных машин, совершенствование методов производства работ и конструкций существующего парка техники.
Переход к рыночным отношениям обострил проблему повышения качества в сфере строительного производства. Здесь стоит отметить, что именно уплотнение грунтов земляного полотна автомобильных дорог является не только составной частью технологического процесса, но и фактически главной операцией по обеспечению его прочности, долговечности и устойчивости к динамическим воздействиям от автомобильного транспорта. Недоуплотнение ведет к многочисленным деформациям дорожного покрытия, следовательно, к непроизводительным затратам людских, материальных и энергетических ресурсов, а также к снижению транспортно-эксплуатационных показателей автомобильной дороги в целом. Стоимость работ по уплотнению грунтов составляет всего 2 - 4 % от общей стоимости дороги.
В связи с этим встает вопрос о создании новых и модернизации имеющихся образцов уплотняющей техники.
В технологии строительства дорог широкое распространение получили вибрационные катки, обладающие высокой производительностью и меньшими энергетическими затратами при уплотнении грунтов. Также достаточно перспективными являются вибрационные пневмошинные катки, позволяющие регулировать не только частоту и величину силового уплотняющего воздействия, но и площадь пятна контакта рабочего органа с обрабатываемой средой.
Однако эффективность их использования в настоящее время очень низкая и основным фактором, ограничивающим рост производительности таких машин, является высокое демпфирующее свойство пневмошины, что ограничивает возможность применения вибрации. Исследования, проведенные в Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии, выявили, что существуют возможности устранения данного недостатка путем повышения жесткости пневмошин, который приводит к росту производительности и технико-экономических показателей процесса уплотнения грунтов. При этом появляется широкий диапазон изменения характеристик уплотнителя для супесчаных, суглинистых и глинистых грунтов одним видом катка, что расширяет область его применения. Определение рациональных параметров и режимов работы таких машин при уплотнении грунтов – это одно из направлений повышения производительности и эффективности производства уплотняющих работ, учитывающих тип и изменяющиеся свойства материала в процессе уплотнения.
Объект исследований - процесс уплотнения слоёв земляного полотна вибрационным катком с пневмошинным рабочим органом.
Предмет исследований - закономерности процесса взаимодействия рабочего органа катка с уплотняемым грунтом; рациональные значения параметров.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности процесса уплотнения грунтов земляного полотна.
Задачи исследований:
1. Усовершенствовать математическую модель взаимодействия вибрационного пневмошинного рабочего органа с уплотняемой средой с учетом изменения реологических параметров рабочего органа.
2. Разработать методику выбора рациональных параметров вибрационного пневмошинного катка для уплотнения грунтов.
3. Разработать конструкцию вибрационного пневмошинного рабочего органа.
4. Определить режимные параметры работы вибрационного пневмошинного катка для уплотнения грунтов.
5. Подтвердить адекватность теоретических и экспериментальных исследований.
6. Оценить экономическую эффективность применения вибрационного пневмошинного катка.
Достоверность научных исследований обеспечена:
1. Методологической базой исследований, основанной на фундаментально изученных положениях теории уплотнения.
2. Применением математического анализа в качестве основного инструмента исследования, современных методов обработки результатов исследований.
3. Достаточным объёмом экспериментальных работ, выполненных в лабораторных и производственных условиях.
4. Практической и экспериментальной проверкой адекватности теоретических исследований, полученной в производственных условиях.
Метод исследований предусматривает комплексный экспериментально-теоретический подход, включающий:
1. Теоретические исследования, основанные на обзоре, анализе и обобщении результатов выполненных ранее исследований в области уплотнения грунтов.
2. Экспериментальные исследования в лабораторных условиях, основанные с использованием современной контрольно-измерительной аппаратуры, теории планирования и обработки экспериментальных данных.
3. Производственный эксперимент с целью сопоставления результатов теоретических исследований с практическими их значениями для определения численных параметров, входящих в математическую модель.
Научная новизна диссертационной работы:
1. Усовершенствована математическая модель взаимодействия вибрационного пневмошинного рабочего органа катка с уплотняемой средой с учетом изменения реологических параметров рабочего органа.
2. Разработана имитационная модель уплотнения грунта вибрационным пневмошинным катком, описывающая изменение амплитудно-частотных характеристик колебаний грунта и рабочего органа катка в зависимости от изменяющихся реологических параметров как уплотняемой среды, так и рабочего органа катка.
3. Получены экспериментальные зависимости коэффициентов жесткости и вязкости рабочего органа для различного количества бандажей и внутреннего давления в шине.
4. Выявлен характер изменения площади пятна контакта рабочего пневмошинного органа с бандажами с опорной поверхностью, и получены аналитические зависимости этого изменения при различном внутреннем давлении в шине и количестве бандажей. Определены контактные давления, развивающиеся в толще грунта под воздействием как статического, так и динамической силового воздействия.
5. Обоснована эффективная толщина уплотняемого слоя различных материалов (супесь, суглинок) для адаптивного рабочего органа катка.
Практическая значимость результатов работы:
1. Разработана методика выбора рациональных параметров вибрационного пневмошинного катка для уплотнения грунтов.
2. Разработана универсальная методика определения жесткости рабочего органа по значению коэффициента восстановления.
3. Создана конструкция пневмошинного рабочего органа с бандажами, позволяющая эффективно уплотнять различные типы грунтов с применением вибрации, подтвержденная патентом на полезную модель № 93090 «Валец дорожного катка».
4. Предложены формы конструкций бандажей для переоборудования пневмошинных катков статического действия в зависимости от требуемой величины контактного давления. Установлено, что применение бандажей позволяет значительно повысить эффективность уплотнения, добиться нормативного коэффициента уплотнения 0,98 – 1,0 средним катком, сократив типы применяемых катков с двух-трех до одного.
5. Использование разработок и результатов исследований в учебном процессе по соответствующим специальностям и направлениям подготовки кадров высшей квалификации, а также на предприятиях и в организациях, занимающихся проектированием и созданием уплотняющих машин.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на V и VI Всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования» (СибАДИ, 2010, 2011 гг., Омск), на Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Проблемы функционирования систем транспорта» (ТюмГНГУ, 2011 г., Тюмень), на 65-й Всероссийской научно-технической конференции «Модернизация и инновационное развитие архитектурно-строительного и дорожно-транспортного комплексов России: фундаментальные и прикладные исследования (с международным участием)» (СибАДИ, 2011 г., Омск).
Реализация результатов работы. Результаты исследований приняты к внедрению в производственную программу ОАО «Раскат» и используются в учебном процессе по различным дисциплинам на кафедре «Эксплуатация и сервис транспортно-технологических машин и комплексов в строительстве» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 10 работ, в том числе 3 работы в материалах научных конференций, 3 статьи в журналах, рекомендованных перечнем ВАК Минобрнауки РФ. Получен патент РФ на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографического списка и приложений. Общий объём работы 179 страниц, включая 29 таблиц и 86 рисунков, 6 приложений. Библиографический список включает 175 наименований.
