Содержание к диссертации
Введение
Глава 1.Состояние вопроса,цели и задачи исследований 7
1.1.Машины для термофрезерования асфальтобетонных покрытий.Технологический процесс 7
1.2.Анализ исследований по резанию асфаль тобетонных покрытий 11
1.3.Анализ исследований по уплотнению асфальтобетонных смесей и определению параметров и режимов работы рабочих органов 13
1.4. Анализ показателей эффективности и определение параметров уплотняющего рабочего органа .25
Выводы по главе 28
Глава 2. Формирование математических моделей процессов нагрева и остывания асфальтобетона 31
2.1.Постановка задачи для формирования математи ческих моделей процессов нагрева и остывания ; асфальтобетона 31
2.2.Формирование математической модели процесса нагрева и остывания асфальтобетона 35
2.3. Сопоставление математических моделей процессов нагрева и остывания асфальтобетона с экспериментальными данными.Проверка на адекватность 52
2.4.Определение оптимальных режимов работы при разрушении старого слоя асфальтобетона 55
2.5.Определение оптимальных режимов работы при укладке а уплотнении нового слоя асфальто бетона 58
2.6.Определение оптимальной температуры смеси при выходе из смесителя 60
Выводы по главе 61
Глава 3. Формирование математической модели процесса взаимодействия со средой трамбующего рабочего органа 63
3.1.Брус с плоским профилем нижней кромки 63
3.2.Брус со срезом нижней кромки 67
3.3. Сдвоенный брус с плоским профилем нижней кромки каждого из брусьев .70
3.4.Сдвоенный брус со срезом нижней кромки каждого из брусьев 73
3.5.Брус с произврльным профилем нижней кромки 76
3.5.1.Брус с круглым профилем 79
3.5.2.Брус с логарифмическим профилем 81
3.6.Определение нармальных и касательных напряжений на поверхности слоя при взаимодействии со средой трамбующего рабочего органа 84
3.7.Разработка система показателей эффективности уплотняющих машин 85
Выводы по главе 88
Глава 4.Экспериментальные исследования 91
4.1.Методика акспєримехітального исследования уплотняющего трамбующего бруса с круглым профилем нижней кромки 91
4.1.1 .Экспериментальное оборудование для исследова ния уплотняющего рабочего органа 91
4.1.Последовательность и методика проведения экспериментального исследования 92
4.2.Результаты экспериментальных исследований уплотняющего рабочего органа 101
4.3. Сопоставление экспериментальных результатов с теоретическими.Проверка на адекватности 108
Выводы по главе 111
Глава 5. Методийка опрщмения параметров и реіимов работы уплотняющего рабочего органа 113
5.1.Определение рациональных параметров и режимов работы уплотняющего рабочего органа 113
5.1.1.С плоским профилем нижней кромки 113
5.1.2.Со срезом нижней кромки 116
5.1.3.Сдвоенный брус с плоским профилем нижней кромки 116
5.1.4.С круглым профилем нижней кромки 120
5.1.5.Выбор оптимального профиля нижней кромки трамбующего бруса 120
5.2.Оценка эффективности уплотняющих машин 125
5.3.Рекомендации по организации технологического процесса машин для ремонта и восстановления дорог 128
Основные выводы-результаты и рекомендации 131
Список литературы 134
- Анализ показателей эффективности и определение параметров уплотняющего рабочего органа
- Сопоставление математических моделей процессов нагрева и остывания асфальтобетона с экспериментальными данными.Проверка на адекватность
- Сдвоенный брус с плоским профилем нижней кромки каждого из брусьев
- Сопоставление экспериментальных результатов с теоретическими.Проверка на адекватности
Введение к работе
Автомобильный транспорт является важной составной частью народного хозяйства. Состояние и перспективы ускоренного раз-имя автомобильного транспорта обусловлены ускорением темпов роста объема пассажирских и грузовых перевозок. Возрастает силовое и разрушающее воздействие автотранспортных средств на покрытие автомобильных дорог.
Развитие работ по механизации технологических операшй по содержанию, ремонту и реконструкции покрытий автомобильных дорог является одной из важных проблем интенсификации народного хозяйства.
Особую актуальность приобретает повторное применение использованного асфальтобетона, который при ремонте дорог, как правило, выбрасывается или используется не по назначению.
Вторичное использование старого асфальтобетона имеет экономическое значение. Тем более, что необходимость в дополнительных затратах определяется только средствами, использованными на непосредственный пропесс переработки. Экономические расчеты показывают, что использование регенерированного асфальтобетона может дать значительную экономию денежных и материальных средств.
В последнее время ведутся интенсивные работы по ремонту и восстановлению дорог Российской Федерации, как например в городе Москве за последние три года, были проведены работы по реконструкции автомобильных дорог общей протяженностью 180 км.
Система машин для ремонта асфальтобетонных покрытий включает машины для восстановления (регенерации) асфальтобетонных покрытий методом терморемонтирования, машины для фрезерования асфальтобетонных покрытий, разогреватели покрытий, машины для штрихования, агрегаты для регенераши асфальтобетона и ряд машин общестроительного назначения (катки, погрезчшш и др.).
Существенное значение для ремонта асфальтобетонных покрытий имеют терморемонтеры. Они выполняют комплекс технологических операшй: разогрев покрытий, фрезерование поверхности покрытий, перемешивание старого асфальтобетона с компонентами, распределение и уплотнение нового слоя асфальтобетона.
Анализ научно-технической информаиии по нагреву и разрушению старого слоя покрытий показывает, что процесс является наиболее энергоемким из комплекса технологических операций машин для ремонта и восстановления асфальтобетонных покрытий; рациональное использование энергии для нагрева слоя перед его разрыхлением является одной из важнейших задач для снижения энергоемкости процесса.
Анализ научно-технической информации показывает, что технология использования таких машин, методы расчета, оптимизации параметров, режимов работы рабочих органов и оценки их эффективности не разработаны в полном объеме. Важным звеном технологического процесса является укладка и уплотнение нового слоя асфальтобетона; известные исследования по уплотнению асфальтобетонных смесей трамбующим рабочим органом указывают на необходимость теоретическим путем определить влияние параметров и режимов работы уплотняющего рабочего органа на эффективность процесса, где главным показателем является степень уплотнения.
Таким образом, разработка математической модели процесса взаимодействия уплотняющего рабочего органа со средой и определение оптимальных параметров и режимов работы рабочего органа, является одной из важнейших задач, решение которой может служить для создания новых высокоэффективных уплотняющих рабочих органов.
Анализ показателей эффективности и определение параметров уплотняющего рабочего органа
Опенка эффективности подразумевает использование самых разных частных показателей качества, что определяет стремление к наиболее полной опенке технического уровня вновь созданных рабочих органов.
Для опенки эффективности машин, принадлежащих к одной ти-поразмерной группе, в диапазоне изменения главного параметра, можно использовать обобщенный показатель / ІО /
Повышение эффективности системы происходит при Из соотношения (1.2) могут быть выделены частные показатели более низкого уровня: удельная энергоемкость, материалоемкость, производительность.
Поскольку при укладке смесей, увеличение степени уплотнения рабочим органом способствует повышению всех показателей материала, во многих работах критерием опенки работы уплотняющего рабочего органа предлагается использовать коэффициент уплотнения смеси: где р - плотность асфальтобетона, уплотняемого рабочим органом машины; ft_- плотность асфальтобетона при уплотнении стандартным образом. Коэффициент уплотнения, как показатель, не может быть использован для оценки эффективности без экспериментальных исследований сравнительных вариантов машин.
Процесс уплотнения трамбованием и вибрированием сходны по физической сущности и различаются лишь величиной основных параметров / # /.По поводу того, какая из характеристик вибрации определяет эффективность у исследователей нет единого мнения / /. В качестве меры эффективности предлагаются следующие показатели: (резкость вибрации); [энергия вибрации); А % (интенсивность вибрации) где (Л - амплитуда перемещения среды; f - частота вибрации. Наиболее часто используют в качестве меры эффективности интенсивности вибрации, считают, что при неизменном значении выбранного показателя достигаются одинаковые плотности, несмотря на различие величин частоты и амплитуды. Недостатком таких показателей является отсутствие учета технологических параметров от геометрических параметров рабочего органа.
В работе / 8 / предлагается использовать в качестве оценки эффективности работы уплотняющего рабочего органа удельный импульс и удельные затраты мощности: где m - масса уплотнителя, отнесенная к единице площади контакта. В работе / / удельный импульс и удельные затраты работы предлагается определить следующими зависимостями: где У- скорость рабочего органа в момент удара; р- давление плиты; 3 - ускорение свободного падения.
Применение показателей такого типа для определения эффективности машин с уплотняющим рабочим органом затруднено из-за отсутствия в них режимных и конструктивных параметров трамбующего бруса. Процесс уплотнения трамбующим брусом можно оценить сопоставляя степень уплотнения и затраченную ври этом работу уплотнения, которая определяется по зависимости / & /: где У- скорость рабочего органа в момент удара; ft - число ударов; ч - толщина уплотняемого слоя. Недостатком предложенного метода оценки эффективности работы уплотняющих рабочих органов по удельной работе и коэффициенту уплотнения является то, что в нем не предлагается возможности определения расчетным путем. Это не позволяет, использовать метод оценки для сравнения различных вариантов на этапе предварительного исследования. Оценка различных способов уплот нения по предложенному методу показала, что при уплотнении вибрацией затраты удельной работы увеличиваются по сравнению с трамбовкой в 30 раз. 1) Отсутствует математическая модель, описывающая проиесс нагрева асфальтобетонных покрытий с иелыо определения необходимого времени нагрева и оптимальной скорости перемешения машин. 2) Разработанные зависимости для определения времени остывания асфальтобетонных смесей не могут быть использованы при укладке и уплотнений толстых слоев асфальтобетона. 3) Отсутствует математическая модель, описывающая вдаяние параметров и режимов работы уплотняющего рабочего органа на степень уплотнения. 4) Не исследован вопрос влияния формы нижней кромки трамбующего бруса на эффективность уплотнения. 5) Отсутствует модель для определения степени уплотнения в зависимости от параметров и режимов работы уплотняющего, рабочего органа, состоящего из двух трамбующих брусьев, 6) Разработанные показатели эффективности процесса УПЛОТНЕНИЯ асфальтобетонной смеси в полном объеме не могут служить для определения рациональных параметров и режимов работы уплотняющего рабочего органа.
Сопоставление математических моделей процессов нагрева и остывания асфальтобетона с экспериментальными данными.Проверка на адекватность
Как уже отмечалось выше, оптимальная температура асфальтобетона для заданной глубины при резании должна составлять 65С, поэтому: где dCpej- глубина резания Т0гда на основе (2.66) и (2.ИЗ) получим: Решая равенство (2.114) относительно времени полу чим: (2.П5) По зависимости (2.115) можно определить оптимальное время нагрева при заданных f » TL » П » XL » х. Особый интерес имеет зависимость времени нагрева асфальтобетона рт начальной температуры покрытия (температуры воздуха). По формуле (2.115) получены значения времени нагрева асфальтобетона толщиной 10 см, в зависимости от начальной темпе ратуры«покрытия (температура воздуха) при резании на глубине 6 см, температура нагрева Т = I80C, а = 0,96 10 (табл. 2,5) С помощью (2.117) можно определить оптимальные скорости перемещения машины при заданных По зависимости (2,117) получены значения скорости в зависимости от начальной температуры покрытия (температура воздуха). Длина нагревательного элемента -Ср -6м (значение остальных параметров как и в предыдущем примере)(табл. 2,6) По формуле (2.119) получены значения производительности в зависимости от начальной температуры покрытия (температура воздуха) (табл. 2.7) при ширине и глубине обработки соответственно 4 и 0,06 м (остальные параметры как в предыдущих примерах). Производительность машин для ремонта и восстановления асфальтобетонных покрытий при работе в летнее время равна 33 м ч, средняя расчетная производительность по формуле (2.119) в интервале температур от 18 до 25С равна 31,5 м3/ч, что свидетельствует о возможности использования формулы (2.119) при расчете производительности процесса разрушения старого слоя асфальтобетона.
Отметим здесь, что скорость перемещения машины для данного интервала времени составляет 2 3 м/мин. Под допустимым временем укладки и уплотнения понимают тот интервал времени, в течение которого горячая асфальтобетонная смесь при выходе из смесителя с начальной температурой (Т0) остывает до оптимальной температуры (Тост). За этот интервал времени должны осуществляться проиессы укладки и уплотнения смесей. Как уже отмечалось выше, оптимальная температура смеси при укладке и уплотнении должна составлять 120-130С. Полученная нами математическая модель процесса остывания асфальтобетонных смесей может служить для определения времени остывания. Машина для ремонта и восстановления дорог работает в летнее время, следовательно, остывание слоя асфальтобетона, в основном, будет определяться остыванием его верхней поверхности, поскольку темп остьтания верхней поверхности ( УК ) намного меньше темпа остывания нижней гранииы ( С ). Учитывая выше изложенное, решая уравнение (2.66) относительно времени ( t ) получим
Сдвоенный брус с плоским профилем нижней кромки каждого из брусьев
Целью экспериментальных исследований является проверка на адекватность и уточнение основных теоретических положений, изложенных ранее в Гл. Ш, и выбор рациональных параметров и режимов работы уплотняющего рабочего органа с круглым профилем нижней кромки. В соответствии с поставленной целью экспериментальные исследования включали: испытание уплотняющего рабочего органа в лабораторных условиях; Экспериментальную проверку теоретической модели процесса изменения плотности материала в зависимости от параметров и режимов работы рабочего органа (ход бруса, скорость перемещения); оценку влияния толщины материала на степень уплотнения; установку оптимальных режимов и параметров рабочего органа для достижения наилучшего коэффициента уплотнения Отметим здесь, что отсутствие исследований по влиянию радиуса кривизны профиля нижней кромки частоты колебаний бруса на степень уплотнения связано, в первую очередь, с ограниченной технической мощностью при проведении эксперимента (отсутствуют вальцы с различными радиусами и двигатель большой мощности)!1 4.І.І. Экспериментальное оборудование для исследования уплотняющего рабочего органа Экспериментальное исследование уплотняющего рабочего органа проводилось на специальном стенде физического моделирования в лабораторий кафедры "Дорожно-строительные машины" МГДВД. Схема установки уплотняющего оборудования на стенде приведена на рис 4,1, а его общий вид на рис. 4.2. Тележка передвигается по двум швеллерам, жестко закрепленным на грунтовом канале, посредством винтовой передачи, приводимой в движение через редуктор и электродвигатель постоянного тока. В данном уплотняющем оборудовании палец I свободно вращается вокруг своей оси, приводится в колебательное движение вследствие несоосности нижних приводных звездочек 2 с осью вальпа.
Привод осуществляется посредством данной передачи 3 от двигателя постоянного тока 4 через червячный редуктор 5, С целью предотвращения вращения вальпа вокруг своей оси установлены уголки 6, которые соединяют нижние точки вальпа с рамой 7. Экспериментальное исследование проводилось на эквивалентном материале со своим физико-механическим свойством, соответствующим асфальтобетонной смеси. В качестве модели эквивалентного материала использовалась грунтовая смесь, состоящая из песка - 70$, глины - 20$, индустриального масла - 10$ /52,52/. Основные физико-механические свойства материала приведены в табл. 4.2. Перед проведением эксперимента проводится подготовка грунта, включающая глубоков взрыхление и грубое выравнивание грунта с помощью грабель или культиватора. Далее производится планирование грунта отвалом, установленным на стенде, и после подготовки грунта производятся замеры уровня грунта в канале. Вычисляется среднее значение.
В соответствий с поставленной целью экспериментальных иссле-довани (определение степени уплотнения грунта), максимальная стандартная плотность грунта определяется с помощью прибора стандартного уплотнения ДорНМИ с объемом мерного шшшдра 10000 мм3 по известной методике /№/ и равняется 2200 кГ/м3(2,2 г/см3). Замеры плотности материала, после прохода уплотняющего органа, осуществляется методом ражущих колеи по стандартной методике /i2tZO / во множестве точек грунтового канала: по поперечному направлению - три точки (расстояние между ними около 5 см, и по продольному направлению (направление движения) - 20 точек - расстояние между ними 35 40 см. После чего определяется среднее значение плотности и вычисляется коэффициент уплотнения. Перед проведением очередного эксперимента грунт разрыхляется, выравнивается и планируется отвалом. Экспериментальные исследования включали: определение влияния скорости передвижения и хода бруса на величину призмы материала перед рабочим органом и на степень уплотнения; определение влияния толщины слоя на степень уплотнения
Сопоставление экспериментальных результатов с теоретическими.Проверка на адекватности
Изменение саороети передвижения рабочего органа осуществлялось с помощью изменения напряжения двигателя постоянного тока» питающего механизм передвижения тележки. Изменение скорости осуществлялось с помощью отметок на пути. Ход трамбующего бруса устанавливался в зависимости от величины эксцентриситета, образующих несоосности нижних приводных звездочек с осью вальта. С целью фиксации величины призмы материала по направлению движения были сделаны снимки (фотографии) для разных параметров и режимов работы (рис. 4.3 4.7). Толщина слоя материала устанавливалась следующим образом; перед проведением эксперимента материал после нескольких проходов рабочего органа уплотнялся до 1С = 1,00, затем на него распылялся новый слой материала. Результаты экспериментальных исследований представлены на рис. 4.8 4.13. Коэффициент уплотнения при взаимодействии со средой трамбующего бруса с круглым профилем нижней кромки определяется по формуле (3.39). Ширина бруса в плане (В _) зависит от величины хорды контакта (рис. 4.14) при внедрении вальца в слой материала, который определяется формулой /і4/ где 4, Jbj -2 - соответственно вес, диаметр и ширина бруса, и;
Таким образом, в зависимости от параметров ( , 1J" , H ) вычисляется коэффициент уплотнения по формуле (3.30) с учетом (4.1) и (4.2). Сопоставление экспериментальных и теоретических результатов показывает, что относительная ошибка модели (3.39) в диапазоне изменения параметров: скорость перемещения машины ( V ) от 0,5 до 3,5 м/мин, ход трамбующего бруса от 2 до 8 мм и толщина слоя (Н) от 5 до 8 см, составляет, в среднем, около 1% при за т данной частоте колебаний бруса 400 мин х и радиуса = 110 мм. Поэтому можно сделать вывод: модель (3.39) может быть использована для практических расчетов степени взаимодействия со средой трамбующего бруса с круглым профилем нижней кромки. 1. Полученная нами математическая модель зависимости степени уплотнения от параметров и режимов работы трамбующего бруса с круглым профилем нижней кромки может быть использована для практических расчетов. 2. Ход трамбующего бруса существенно влияет на коэффициенты уплотнения при изменении его величины от 2 до 8 мм, коэффициент уплотнения уменьшается на 20 25$. 3. Скорость перемещения рабочего органа в большой степени влияет на образование призмы материала по направлению движения и соответственно на степень уплотнения. Изменение скорости от 0,5 до 3,5 м/мин приведет к уменьшению степени уплотнения до 15 20 %. 4. Толщина слоя материала может существенно влиять на степень уплотнения, более, чем ход и скорость.
Изменение толщины слоя от 5 до 8 см приведет к уменьшению коэффициента уплотнения от 8 до 12#. 5. При уплотнении слоя материала толщиной 5 см, рекомендует ся увеличить скорость перемещения до 3 м/мин, при этом ход трам бующего бруса может составлять 4 мм. В этом случае увеличивается производительность ж коэффициент уплотнения равняется 0,93 0,935. 6. При уплотнении слоя материала толщиной 8 см, для достижения степени уплотнения 0,93 0,94 рекомендуются следующие оптимальные параметры и режимы работы уплотнявдего рабочего органа: скорость перемещения от 1,5 до 2 М/МЙН, ход бруса - 6 мм. 7. Увеличение хода бруса и скорости перемещения рабочего органа одновременно приводит к значительному ухудшению степени уплотнения. Так, например, при V= 3,5 м/мин и 3 = 8 мм, степень уплотнения не может превысить 0,89 + 0,90 при начальном коэффициенте уллотнеия 0,85. 8. Одним из путей достижения лучших результатов при взаимодействии со средой трамбующего бруса с круглым профилем нижней кромки является уменьшение частоты колебаний бруса до 1000 1500 мин"1 Полученные нами в Гл. Ш показатели эффективности процесса уплотнения материалов могут служить, путем их оптимизации, для определения параметров и режимов работы уплотняющего рабочего органа.
Отметим здесь, что наличие многих параметров в системе показателей эффективности несомненно осложняет поставленную задачу, однако используя метод фиксации (замораживание) отдельных параметров в различных уравнениях системы, и с учетом того, что в системе имеются параметры входа (заданные), позволяет упростить поставленную задачу. Важным этапом при решении данной задачи является правильный выбор фиксированных параметров, которые будем считать постоянными. Параметрами входа системы являются: начальный и требуемый коэффициент уплотнения, толщина слоя материала и скорость перемещения машины, которая определяется из процесса нагрева и разрушения старого слоя асфальтобетона.
