Введение к работе
Актуальность работы. Создание современных высокоскоростных
магистралей является приоритетным направлением дорожного строительства. Технические требования к качеству их покрытия очень высоки. Применение новых технологий укладки зависит от свойств и структуры дорожностроительных материалов, которые используются не только для формирования покрытий, но и для подготовки их оснований. Создание готового качественного дорожного покрытия это многофакторный процесс, который позволит обеспечить долговечность этого покрытия и сократить затраты на его ремонт. Он зависит не только от совокупности свойств, проявляемых укладываемым материалом, но и от качества подготовленного основания, на которое проводится укладка, от применения современной, высокоэффективной строительно-дорожной техники, которая обеспечит качественное и эффективное уплотнение.
Современная уплотняющая техника становится больше по массе и габаритным размерам, что позволяет достичь высоких темпов строительства дорог и повысить производительность уплотняющего оборудования. Вместе с этим технология процесса уплотнения остается неизменной. Формируется отряд уплотняющей техники, состоящий из нескольких катков разного веса, которые, совершая переезды с одной полосы прохода на другую, часто реверсируют и создают нагрузки внутри уплотняемого материала больше, чем при установившемся движении. Разгон и торможение катка в ходе реверсирования, происходят за счет сил трения, что приводит к деформациям в уплотняемом слое материала. В результате в последнем формируется большое количество зон с неравномерным распределением напряжений, которые приводят в процессе эксплуатации покрытия к образованию дефектов.
Устройство основания дороги и укладка асфальтобетонных смесей неправильно подобранным комплектом уплотняющей техники приводит к увеличению дефектов и ухудшает эксплуатационные свойства готового дорожного покрытия.
Для уменьшения дефектов необходимо разработать новые технологии
уплотнения, позволяющие достичь максимальной плотности покрытия при
минимальном количестве уплотняющей техники, а также создать перспективные модели качественного процесса уплотнения.
Диссертационная работа направлена на обоснование и создание уплотняющего оборудования, которое позволит: использовать скоростные технологии уплотнения дорожных оснований без нарушения их технологических параметров; снизить процесс волнообразования при уплотнении; уменьшить количество катков и выполняемое ими реверсирование.
Степень разработанности темы исследования. Научные основы теории уплотнения материалов заложены в исследованиях ведущих ученых отрасли: В.И. Баловнева, О.Т. Батракова, А.И. Доценко, М.В. Дудкина, С.Н. Иванченко, Я.А. Калужского, А.Е. Курбатова, Н.Е. Курбатова, Г.В. Кустарева, А.П. Прокопьева, С.В. Савельева, И.С. Тюремнова, С.Б. Туманяна, Н.Я. Хархуты, А.А.
Шестопалова и других. Анализ проведенных ими исследований показал, что получение положительных результатов по внедрению новых технологий и конструкций машин невозможно без фундаментальных исследований процесса уплотнения с использованием инновационных методов и материалов, позволяющих повысить темп проведения строительных работ и улучшить показатели качества дорожного покрытия. Несмотря на имеющийся научный опыт, выявлена недостаточная изученность технологий, с использованием современных конструкций уплотняющего оборудования, что подчеркивает актуальность настоящего исследования.
Цель диссертационной работы. Повышение эффективности процесса
уплотнения дорожно-строительных материалов, обладающих пластичными и
вязкоупругими свойствами, за счет совершенствования рабочих органов
уплотняющего воздействия с применением упруго-деформируемого ленточного элемента.
Задачи исследования:
1. Проанализировать существующие научные исследования и методы
уплотнения дорожно-строительных материалов с различным физическим
воздействием на уплотняемый материал.
2. Определить целесообразность применения упруго-деформируемого
ленточного элемента между уплотняющим рабочим органом и уплотняемой
средой.
3. Создать математическую модель процесса уплотнения, с применением
упруго-деформируемого ленточного элемента.
-
Разработать методику эксперимента и провести экспериментальные исследования по влиянию параметров упруго-деформируемого ленточного элемента на степень уплотнения.
-
Разработать методику расчета основных параметров уплотняющего оборудования с упруго-деформируемым ленточным элементом.
-
Определить экономический эффект предлагаемого оборудования и разработать рекомендации по проектированию конструкции с упруго-деформируемым ленточным элементом, синтезируя различные принципы действия уплотняющих рабочих органов на уплотняемый материал.
Объект исследования. Уплотняющее оборудование, выполненное в виде вальца с упруго-деформируемым ленточным элементом и уплотняемый материал.
Предмет исследования. Процесс уплотнения дорожно-строительных материалов для строительства дорожных оснований и покрытий при воздействии уплотняющего оборудования с упруго-деформируемым ленточным элементом.
Методология и методы исследования. Для реализации поставленной цели работы применялись теоретические исследования теории качения; уплотнения; волнового сопротивления движению нагрузок вдоль одномерных упругих систем; методы решения систем дифференциальных уравнений, математической статистики; реологическая теория моделирования упруго-вязко-пластичных сред; теории физического и математического подобий. Для обработки выполненных экспериментальных исследований использовались методы статистики с применением программных комплексов Zetlab, программное обеспечение,
позволяющее обработать численные результаты экспериментов, а также видеосъемка процесса перемещения частиц в уплотняемом слое. Научная новизна работы заключается в следующем:
1) впервые предложено и обосновано применение упруго-деформируемого
ленточного элемента между жестким рабочим уплотняющим органом и
уплотняемой средой, обеспечивающее снижение процесса волнообразования на
поверхности материала;
2) впервые определены и экспериментально проверены зависимости
параметров процесса уплотнения с применением упруго-деформируемого
ленточного элемента;
3) разработан способ определения сдвиговых деформаций в поверхностном
слое уплотняемого материала, с застывающими гипсовыми растворами,
защищенный патентом;
4) впервые разработана методика определения параметров уплотняющего
рабочего оборудования, учитывающая параметры упруго-деформируемого
ленточного элемента.
Теоретическая и практическая значимость работы. Предложено, защищенное патентом, конструктивное решение по созданию уплотняющего рабочего оборудования с применением упруго-деформируемого ленточного элемента, позволяющее выполнять технологию уплотнения без реверсирования, с многократным воздействием на материал при поступательном движении машины, а также запатентованный способ определения сдвиговых деформаций в уплотняемом слое материала.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Математическая модель процесса уплотнения рабочим органом с применением упруго-деформируемого ленточного элемента.
-
Теоретические и экспериментальные зависимости, устанавливающие взаимосвязь между деформацией упруго-деформируемого ленточного элемента и параметрами уплотняющего рабочего оборудования, с учетом свойств уплотняемой среды.
-
Способ определения сдвиговых деформаций в поверхностном слое уплотняемого материала.
4. Методика выбора параметров уплотняющего рабочего оборудования и
параметров упруго-деформируемого ленточного элемента в зависимости от
прочностных свойств уплотняемой среды.
Степень достоверности и апробации работы. Достоверность научных положений обеспечивается необходимым объемом экспериментов, проверкой соответствия теоретических исследований экспериментальным исследованиям, использованием математического анализа как одного из инструментов исследования и обработки его результатов.
Результаты работы внедрены в научно-исследовательской работе кафедры по проекту №2.1.2/9423 «Научное обоснование методики назначения технологических возможностей уплотняющих машин с учетом технологических свойств битумоминеральных смесей с целью получения конструктивных материалов для устройства дорожных одежд с требуемыми свойствами»
аналитической ведомственной программы «Развитие научного потенциала
высшей школы (2009-2010 годы)», используются в учебном процессе ФГБОУ ВО
«Московский автомобильно-дорожный государственный технический
университет (МАДИ)» при подготовке специалистов по направлению 23.05.01 «Наземные транспортно-технологические средства», бакалавров – 23.03.02 «Наземные транспортно-технологические комплексы» и магистров – 23.04.02 «Наземные транспортно-технологические комплексы».
Основные положения и результаты исследований диссертационной работы
были доложены и получили одобрение на научно-методических и научно-
исследовательских конференциях Московского автомобильно-дорожного
государственного технического университета (МАДИ) в 2009, 2011-2016 годах в
Москве и Интернет – конференциях в БГТУ им. В.И. Шухова в 2006 и 2007 годах.
Публикации. По материалам диссертации получено патентов – 2, опубликовано двадцать работ, из них: статей в сборниках научных работ – 11; статей в обычных журналах – 4; статей в рецензируемых изданиях по списку ВАК – 5.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. В работе содержится 185 страницы машинописного текста, в том числе 9 таблиц и 83 рисунка. Список литературы содержит 98 наименований.