Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор и анализ технических решений и исследований в области планетарных вибровозбудителей вибрационных катков. Цели и задачи исследований 7
1.1 Методы и средства уплотнения грунтов 7
1.2 Особенности вибрационных катков и их применение в строительстве 9
1.3 Обзор и анализ патентных и технических решений в области асимметричных планетарных вибровозбудителей 14
1.4 Обзор и анализ патентных и технических решений планетарных вибровозбудителей в виброкатках 29
1.5 Обзор исследований рабочего процесса планетарных вибровозбудителей 33
1.6 Выводы по главе. Цели и задачи исследований 46
Глава2 Теоретические исследования и анализ рабочего процесса асимметричного планетарного вибровозбудителя с эллиптической беговой дорожкой 48
2.1 Анализ структурной схемы и теоретические исследования кинематических параметров асимметричного планетарного вибровозбудителя с эллиптической беговой дорожкой 48
2.2 Применение теории синтеза и анализа кулачковых механизмов для исследования эффективности работы асимметричного планетарного вибровозбудителя с эллиптической беговой дорожкой 59
2.3 Определение вынуждающей силы асимметричного планетарного вибровозбудителя с эллиптической
беговой дорожкой 66
2.4 Определение угловых координат проскальзывания асимметричного планетарного вибровозбудителя с эллиптической беговой дорожкой 75
2.5 Определение средней потребляемой за цикл мощности асимметричного планетарного вибровозбудителя с эллиптической беговой дорожкой 81
2.6 Исследование влияния основных параметров асимметричного планетарного вибровозбудителя на его динамические характеристики 84
2.7 Исследование физического моделирования асимметричного планетарного вибровозбудителя с эллиптической беговой дорожкой
2.8 Выводы по главе
Глава 3 Методика экспериментальных исследований эффективности использования асимметричных планетарных вибровозбудителей с эллиптической беговой дорожкой
Глава 4 Анализ результатов экспериментальных исследований асимметричного планетарного вибровозбудителя с эллиптической беговой дорожкой 113
Анализ однофакторного эксперимента 113
Анализ двухфакторного эксперимента 117
Анализ трехфакторного эксперимента 125
Анализ уравнений регрессии 130
Сравнительная оценка результатов теоретических вычислений и экспериментальных исследований асимметричного плане тарного вибровозбудителя 131
Выводы по главе 1
Глава 5 Рекомендации по проектированию, выбор конструкции и определение эффективности вибрационного катка с асимметричным планетарным вибровозбудителем
5.1 Рекомендации по выбору рациональной конструкции асимметричного планетарного вибровозбудителя для вибрационного катка
5.2 Анализ технико-экономической эффективности вибрационного катка с асимметричным планетарным вибровозбудителем
5.3 Методика расчета параметров асимметричного планетарного вибровозбудителя с эллиптической беговой дорожкой
5.4 Выводы по главе
Общие выводы и рекомендации.
Задачи дальнейших исследований
Литература
- Особенности вибрационных катков и их применение в строительстве
- Применение теории синтеза и анализа кулачковых механизмов для исследования эффективности работы асимметричного планетарного вибровозбудителя с эллиптической беговой дорожкой
- Анализ двухфакторного эксперимента
- Анализ технико-экономической эффективности вибрационного катка с асимметричным планетарным вибровозбудителем
Введение к работе
Актуальность. В настоящее время дорожное строительство развивается в направлении увеличения прочности и долговечности автомобильных дорог. Это направление обуславливает повышение эффективности использования средств механизации, занятых в строительном процессе, за счет интенсификации и качества производства работ.
Уплотнение является одной из важнейших технологических операций, поскольку она в целом определяет надежность, прочность и долговечность всей дорожной конструкции.
Цель уплотнения заключается в получении плотной и прочной структуры уплотненной среды, способной в дальнейшем противостоять внешним силовым и природно-климатическим факторам, которые будут иметь место в процессе эксплуатации дорог.
Недоуплотнение вызывает преждевременные повреждения и деформации конструктивных слоев автомобильных дорог, снижение эксплуатационных показателей и, как следствие, к непродуктивным затратам людских, материальных и энергетических ресурсов. Вместе с этим уплотнение является сравнительно недорогим процессом. Затраты на его осуществление составляют всего до 3,0% от общей стоимости автомобильной дороги.
Эффективность работы уплотняющих средств определяется их параметрами и режимами работы. Важной характеристикой этого процесса являются возникающие контактные давления на границе "рабочий орган катка - уплотняемая среда". С ростом плотности в процессе уплотнения необходимо увеличивать значения этих давлений для дальнейшего образования остаточных (вяз-копластических) деформаций. Интенсивность их течения оказывает влияние на производительность уплотняющих средств и качество выполняемых работ.
В существующем парке уплотняющих средств наибольшее применение получили вибрационные катки. Перспективным направлением в этой группе машин являются вибрационные катки, оснащенные асимметричными планетарными вибровозбудителями (АПВ), которые генерируют более высокие значения вынуждающей силы по сравнению с центробежными вибраторами (при одной и той же массе), кроме того, они позволяют регулировать ее направление и значение в процессе уплотнения материалов.
Таким образом, несмотря на существенную работу, проведенную в области виброуплотнения, вопросы дальнейшего совершенствования конструкций вибровозбудителей и их использование при уплотнении дорожно-строи-тельных материалов являются актуальными, поскольку они связаны с созданием надежной сети автомобильных дорог, обеспечивающей безопасное и комфортное движение автотранспорта.
Цель работы: повышение эффективности использования вибрационных катков при уплотнении дорожно-строительных материалов.
Объект исследования: динамический процесс уплотнения дорожно-строительных материалов. Предмет исследования: закономерности изменения выходных параметров асимметричных планетарных вибровозбудителей.
Методика исследований представляет собой комплекс эмпирических и аналитических методов Решение поставленных задач базируется на экспериментальных и теоретических положениях механики, теории колебаний, методах математического моделирования и статистики, методах обработки результатов исследований с помощью ЭВМ.
Научная новизна заключается в следующем:
- разработке классификации АПВ;
- математической модели АПВ с эллиптической беговой дорожкой для различных вариантов установки оси вращения водила;
- результатах экспериментальных исследований и регрессионных зависимостях вынуждающей силы АПВ с эллиптической беговой дорожкой от величины эксцентриситета беговой дорожки, угловой скорости водила, массы инерционного бегунка и варианта установки оси вращения водила;
- методике аналитического определения граничных условий проскальзывания инерционного бегунка АПВ;
Практическая ценность определяется:
- рациональной конструкцией АПВ для использования уплотнения до-рожно-строительных материалов (грунт, щебень, асфальтобетон);
- методикой расчета параметров АПВ с эллиптической беговой дорожкой;
- методикой обоснования основных параметров АПВ с эллиптической беговой дорожкой, установленных на дорожных катках;
- результатами технико-экономического анализа эффективности использования катков с АПВ с эллиптической беговой дорожкой;
Реализация работы. Опытные образцы катков с направленной вынуждающей силой были внедрены в ТОО «Лик-СМУ» в г. Усть-Каменогорске (РК) в 2005 г. Это прицепные вибрационные катки с планетарными асимметричными вибровозбудителями направленного действия для укатки грунтов и щебня (2 шт.). Опытная конструкция вибровальца по патенту РФ на полезную модель № 53300 была применена при ремонте автодороги «Крутиха-Панкрушиха-Хабары-Славгород» в 2008 году и мостового перехода через р. Чистюнька на км. 74+645 автодороги «Троицкое-Целинное» в 2007 году. Планетарным вибровозбудителем с эллиптической беговой дорожкой был дооборудован валец навесного катка на тракторе МТЗ-80 и валец ручного дорожного катка массой 120 кг. Основные положения используются в курсовом и дипломном проектировании по специальности 270113 (291300) «Механизация и автоматизация строительства» АлтГТУ им. Ползунова И.И.
На защиту выносятся:
- математическая модель АПВ с эллиптической беговой дорожкой для различных вариантов установки оси вращения водила;
- методика аналитического определения граничных условий проскальзывания инерционного бегунка АПВ;
- результаты экспериментальных исследований и регрессионные зависимости вынуждающей силы АПВ с эллиптической беговой дорожкой от час тоты круговых колебаний, массы инерционного бегунка, эксцентриситета эллиптической дорожки и варианта установки оси вращения инерционного бегунка;
- рекомендации по обоснованию основных параметров АПВ с эллиптической беговой дорожкой, установленных на дорожных катках.
Достоверность научных положений подтверждается корректностью применения апробированного математического аппарата обработки результатов исследования, достаточным объемом экспериментов, проведенных с использованием поверенных приборов и оборудования, согласованностью аналитических расчетов с экспериментальными данными.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на научно-технических конференциях: «Индустриально-инновационная политика — новый этап развития Казахстана» (г. Усть-Каменогорск, 6-8 ноября 2003 г.); «Проблемы трансграничного загрязнения территорий» (г. Усть-Каменогорск, 5-6 октября 2004 г; «Дорожный комплекс как основа рационального природопользования» (г. Омск, 23-25 ноября 2004 г.); «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования» (г. Омск, 21-22 мая 2008 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 печатных работ из них 2 работы опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованной литературы, состоящего из 112 наименований, 3-х приложений. Общий объём работы составляет 196 с, в том числе основной текст составляет 165 с, 112 рисунков и 18 таблиц.
Особенности вибрационных катков и их применение в строительстве
Уплотнение является важнейшей технологической операцией, от которой во многом зависит прочность и долговечность дорожной одежды. Многочисленными исследованиями установлено, что разрушение дорожных одежд в ряде случаев происходит вследствие недоуплотнения грунтов полотна. Результаты обследования автомобильных дорог, выполненные в СоюзДорНИИ, МАДИ,ХАДИ, СибАДИ, и др. организациях показали, что удельный вес разрушения дорожных одежд вследствие недоуплотненности грунтов составляет 10-30%/1,2,3,4/.
Если учесть, что уплотнение является сравнительно недорогой /5/, но эффективной операцией, то повышение требований к уплотнению и совершенствованию технологического процесса не отразится заметным образом на стоимости строительства автомобильных дорог /6/. В то же время при повышении требований к уплотнению прочность и долговечность конструктивных слоев дорожной конструкции увеличивается. Поэтому в настоящее время уделяется большое внимание вопросам теории и практики уплотнения различными уплотняющими средствами.
Основной вклад в теорию и практику уплотнения внесли ученые: А.К. Бируля, В.Ф. Бабков, А.Я. Хархута, Н.Н. Иванов, A.M. Холодов, И.А. Рыбьев, А.Я. Калужский, Н.В. Горелышев, О.Т. Батраков, А.А. Иноземцев, Ю.М. Васильев, И.В. Королев, Н.Н. Вощинин, В.И. Баловнев, В.Б. Пермяков, С.Н. Иванченко, А.В. Захаренко, М.П. Костельов и др.
Эффективность уплотнения зависит от применяемых методов уплотнения, которые в значительной мере определяются свойствами материала.
В дорожном строительстве применяют следующие основные методы уплотнения: укатка, трамбование, вибрирование и комбинированный метод, при котором материал одновременно подвергается, например, укатке и вибрированию или трамбованию и вибрированию.
Укатка - наиболее универсальный и распространенный метод уплотнения материалов. Он применяется для всех видов песчаных и глинистых грунтов, щебня, асфальтобетона и других материалов. Его отличает производительность работ при получении требуемого качества уплотнения и высокая надёжность работы применяемых средств уплотнения.
В настоящее время применяют катки с гладкими вальцами, на пневматических шинах, решетчатые, кулачковые и ребристые. Катки с гладкими вальцами относятся к числу наиболее распространённых средств уплотнения. Для послойного уплотнения насыпных грунтов применяют в основном прицепные типы, которые могут соединяться в агрегат, состоящий из двух-трех катков. Движение по рыхлым фунтам самоходных катков с гладкими вальцами затруднено, ввиду недостаточного сцепления вальцев с грунтом /7/, поэтому их применяют только
для укатки поверхности грунтовых оснований перед устройством дорожной одежды. К достоинствам гладковальцовых катков статического действия можно отнести хорошую однородность уплотнения полосы, как в продольном, так и в поперечном направлениях, эргономические показатели, основным из которых является уровень вибрации в различных диапазонах частот. Эти катки не лишены недостатков - это сравнительно низкая глубина проработки материала, которая лимитируется наименьшим размером пятна контакта; удельное давление вальца на обрабатываемый материал в процессе укатки изменяется не в полном соответствии с изменением физико-механических .свойств последнего, что заставляет держать на участке несколько типоразмеров катков, и приводит к снижению технико-экономических показателей используемой техники. Одним из отрицательных моментов при использовании гладковальцовых катков является наличие сдвиговых напряжений, образующихся перед ведомым вальцем и направленных в сторону слабоуплотненного материала, что приводит к появлению волн на обрабатываемой поверхности.
Недостатков, присущих каткам с гладкими вальцами, частично лишены катки на пневматических шинах, которые используются для уплотнения грунтов земляного полотна, слоев из укрепленных грунтов. Применение таких катков целесообразно в тех случаях, когда предельное сопротивление материалов уплотнению сравнительно невелико, но они проявляют вязкопластичные свойства, что требует увеличенного времени воздействия. Продолжительность воздействия катков на пневматиках в 3-4 раза больше, чем катков с жесткими вальцами, что дает возможность увеличить скорость укатки или сократить число проходов по одному следу, повышая, таким образом, производительность машины. Регулировка давления в шинах позволяет в определенных пределах плавно изменять величину контактного давления от прохода к проходу согласно изменению предела прочности материала в зависимости от достигнутой плотности.
Отрицательным фактором при работе указанных катков является относительно невысокая ровность поверхности, как в продольном, так и в поперечном направлении. При всех достоинствах они остаются машинами многопроходного действия, и их производительность снижается ввиду потерь времени на реверсирование. Кроме того, реверсирование повышает вероятность сдвига материала в сторону движения машины, что служит дополнительной причиной возникновения волн и ухудшает ровность поверхности в продольном направлении, а также уменьшает равномерность уплотнения.
Кулачковые, решетчатые и ребристые катки можно отнести к машинам более узкого назначения, которые используют для уплотнения высоких (толстых) уплотняемых слоев. Конструктивные особенности их позволяют достигать высоких контактных давлений, что часто дает им преимущество перед катками на пневматиках и гладковальцовыми. В частности, решетчатые и ребристые катки являются незаменимым средством уплотнения в зимних условиях.
К основным недостаткам таких катков можно отнести то, что верхняя часть уплотняемого слоя остаётся разрыхленной. Так, например, после работы кулачковых катков остается поверхностный разрыхленный слой, глубина которого достигает 10-15см, эта верхняя часть материала может быть уплотнена лишь после отсыпки поверх нее нового слоя. Метод уплотнения трамбованием применяют для связных и несвязных грунтов, грунтов в естественном залегании и мерзлых, в условиях зимнего строительства.
Ввиду быстроты протекания процесса трамбования в пределах одного цикла на поверхности контакта штампа с материалом развиваются очень большие напряжения, которые дают возможность уплотнения на больших глубинах.
Широкое распространение получили трамбующие машины, рабочими органами которых являются периодически поднимаемые и сбрасываемые грузы. Работа этих устройств связана с большими динамическими нагрузками, которые преждевременно выводят из строя такие дорогостоящие и сложные машины, как краны и экскаваторы.
Анализ существующего парка уплотняющих машин показал, что наиболее распространенными являются самоходные катки /8/. Их доля в мировом парке катков составляет 80% 191, в нашей стране 90% /10/.Такому широкому распространению этих машин способствовала простота их конструкции и надежность. Их можно считать универсальными катками, так как они используются для уплотнения почти всех дорожно-строительных материалов.
Прогрессивным уплотняющим средством динамического типа является вибрационная техника, которая представлена виброкатками и виброплитами. Виброуплотнение является эффективным методом уплотнения, как несвязных материалов, так и вязкопластичных, взаимодействие между частицами в этом случае определяется только силами трения, которые значительно уменьшаются при вовлечении массы материала в колебательный процесс.
Особенности вибрационного метода уплотнения рассмотрены в работах Л.А. Ребиндера, Г.Н. Попова, Л. Форсблада, А.В. Дульянинова, А.А. Головніша, М.П. Костельова, А.Ф., Зубкова, Ю. А. Коваленко, А.Е. Дубровина, Б.Е. Ермилова, М.В. Дудкина, М.Г. Кипиани и др.
Рабочим органом виброкатка является металлический валец полой сварной конструкции, внутри которого вмонтирован вибровозбудитель. Установка вибровозбудителя непосредственно на раме катка приводит к более сложной и громоздкой конструкции, которая к тому же подвергается сильным вибрационным воздействиям.
Вибрационный каток — это машина, сочетающая в себе статический и динамический методы воздействия на уплотняемый материал. Благодаря этому, он имеет большую производительность, обладает значительно меньшей металлоемкостью и является эффективным средством для уплотнения дорожностроительных материалов. При одинаковом весе они приблизительно в 1,5 — 2,0 раза производительнее статических катков/11,12/.В парке уплотняющей техники их доля сейчас составляет 60% /13,14/.
В конструкциях современных вибрационных катков появились новые технические решения, направленные на повышение качества уплотнения, на вве 10 дение контроля степени плотности материала с рабочего места машиниста в процессе уплотнения, на более полное использование возможностей вибровозбудителей, позволяющих генерировать вынуждающую силу направленного действия и сокращать количество уплотняющих проходов и типоразмеров катков за счет величины плавно изменяемой внешней статической силы, на улучшение условий работы машиниста и технического обслуживания машин.
Достигаемая плотность грунта и дорожно-строительных материалов при воздействии уплотняющих машин зависит от давления на поверхности контакта. При вибрационном уплотнении давление носит циклический характер и периодически изменяется по величине от нуля до максимума.
При уплотнении вибрированием масса вибратора за счет подведенной к вибровозбудителю колебаний энергии вводится в состояние колебательных движений.
Основными технологическими параметрами, влияющими на уплотняющую способность вибрационной машины, а, следовательно, и на качество уплотнения являются: масса вибровальца, величина вынуждающей силы, частота и амплитуда колебаний. Направление вращения инерционных элементов влияет на вращение вальца. Если крутящие моменты инерционных элементов и вальца направлены в одну сторону, то вибрационные силы понижают крутящий момент вращения вальца. При противоположном направлении вращения крутящий момент увеличивается.
Амплитуда колебаний рабочего органа вибрационной машины и уплотняемого материала зависит от частоты вынуждающего воздействия.
По взглядам акад. Л.А. Ребиндера, каждому размеру частиц соответствует определенная частота колебаний, при которой обеспечивается наиболее эффективное уплотнение. Чем меньше размер частицы, тем выше частота колебания.
Увеличение вынуждающей силы, как правило, ведет к увеличению амплитуды колебаний. В зависимости от отношения вынуждающей силы к весу рабочего органа один период его колебаний на материале может соответствовать нескольким оборотам приводного вала вибровозбудителя. Периодическое изменение вынуждающей силы вызывает изменение деформации. Однако деформация отстает от соответствующего изменения напряжения. Данное обстоятельство вызывает отрыв рабочего органа от поверхности материала (т.н. «коз-ление») при определенных его свойствах даже в том случае, если вынуждающая сила меньше веса /15,16,17,18/, в результате чего процесс вибрирования перейдёт в процесс вибротрамбования.
Зависимость плотности грунта от отношения вынуждающей силы Q к весу рабочего органа G показана на рисунке 1.1. На участке О А колебания рабочего органа являются гармоническими, амплитуда и инерционное воздействие на грунт увеличиваются по мере увеличения отношения Q/G.Вследствие того плотность возрастает. На участке АВ амплитуда также продолжает увеличиваться, однако колебания становятся беспорядочными, и эффективность уплотнения падает. Дальнейшее увеличение вынуждающей силы приводит к тому, что напряжения в грунте возрастают вследствие стабилизации ударных колебаний и плотность грунта вновь повышается /19/. Основная цель, которая имеется при создании вибрационных катков, — это возможность повысить эффективность уплотнения при том же достигаемом Ку (коэффициент уплотнения), снизить вес катка, а, следовательно, и потребляемую мощность, что позволяет перейти на использование менее мощных, а потому более дешёвых тягачей. Получаемый от создания вибрационных катков эффект может быть оценен коэффициентом эффективности Кэ /20/, который представляет собой соотношение:
Применение теории синтеза и анализа кулачковых механизмов для исследования эффективности работы асимметричного планетарного вибровозбудителя с эллиптической беговой дорожкой
Графики, отображающие зависимость углов контакта и наклона касательной, построенные в соответствии с полученными зависимостями (2,38), (2.39) и (2.40), приведены на рис.2.14,2.15 и 2.16.
Разрыв зависимости a=f((p) при ф = 1800(рис.2.14,а;2.15,а;2.16,а) вполне закономерен, т.к в этот момент происходит поворот естественных осей п и т на 180/80/.
Не трудно заметить, что значения угла контакта 8, для данного типа установки водила, не превышает допустимого значения. Поэтому работоспособность АПВ с эллиптической беговой дорожкой, прн расположении оси водила в центре симметрии, по критерию (2.23) оценивается положительно, без ударов и проскальзывания.
В случаях установки оси водила в левом и правом фокусе эллиптической беговой дорожки, наблюдается превышение текущего угла контакта над допустимым. Область допустимых значений угла контакта ограничена штриховой линией (рис. 2.15,6 и 2.16,6).
То есть, протяженность дуги качения инерционного бегунка без проскальзывания будет всего 125 , что составляет 34,72% от общего углового перемещения инерционного бегунка.
Так для АПВ с эллиптической беговой дорожкой с расположением оси водила в левом фокусе, по критерию (2.34) работоспособность будет нарушена при следующих значениях угла поворота водила: 16,25 ф 133,75 и 226,25 ф 343,75 , будут наблюдаться буксование и юз инерционного бегунка относительно эллиптической беговой дорожки.
В случае АПВ с эллиптической беговой дорожкой с расположением оси водила в правом фокусе, по критерию (2.34) работоспособность будет нарушена при следующих значениях угла поворота водила: 46,25 ф 163,75 и 196,25 ф 313,75.
Графики зависимости углов а и 8 в функции угла поворота водила (р при расположении водила в правом фокусе: а)наклона касательной; б)коитакта.
Протяженность дуги чистого качения инерционного бегунка без проскальзывания будет иметь то же значение, что и для предыдущего случая.
Предложенная методика позволяет на ранних этапах проектирования, ещё на стадии кинематического анализа, проанализировать работоспособность АПВ с эллиптической беговой дорожкой, для различных случаев установки оси водила, по критерию (2.34) и определить рациональные геометрические размеры, обеспечивающие минимальное проскальзывание инерционного бегунка относительно беговой дорожки.
Погрешность угловых координат, полученных при помощи данной методики для вариантов расположения оси водила в правом и левом фокусах эллиптической беговой дорожки, составляет 6,4% в сравнении с методикой, принятой в данной работе за эталонную (пункт 2.4).
Наилучшими показателями по протяженности дуги качения без проскальзывания обладает АПВ с эллиптической беговой дорожкой при центральном расположении оси водила. Это объясняется тем, что закон движения толкателя, а, следовательно, и профиль кулачка (рис.2.4,б) плавный и изменяется по гармоническому закону, без резких изменений кривизны. По протяженности дуги качения без проскальзывания способы установки оси водила в правом и левом фокусе равнозначны и дуга качения без проскальзывания для обоих случаев составляет 34,72% от общего пути оси бегунка относительно эллиптической беговой дорожки.
Не трудно заметить, что начало и конец проскальзывания инерционного бегунка относительно эллиптической беговой дорожки для случаев установки в левом и правом фокусах отличаются на угол, численно равный 30 /70/.
Это так называемый угол запаздывания, который характеризует смещение начальной фазы движения водила в полярных координатах при установке оси водила в фокусах эллиптической беговой дорожки, по отношению к центральному расположению оси водила:
График зависимости угла контакта АПВ с эллиптической беговой дорожкой при расположении оси водила в левом фокусе для трёх различных эксцентриси і етов эллиптической беговой дорожки: сі=0,038 м; с2=0,045 м; сз=0,06 м. Общий график для всех трёх случаев для левого расположения водила представлен на рис.2.17, а для правого расположения оси водила — на рис.49, штрихпунктирной линией указана область допустимых значений угла контакта.
Анализируя вышеприведённый график, приводим к выводу, что увеличение фокусного расстояния в 1,6 раза сокращает дугу качения без проскальзывания в 1,7 раза. Непропорциональность зависимости является диссипативными потерями при движении инерционного бегунка по эллиптической беговой дорожке.
График, приведённый на рис.2.18, является зеркальным отображением графика, изображённого на рис.2.17, что вполне объяснимо: правый и левый фокус расположены диаметрально противоположно по горизонтальной полуоси эллиптической беговой дорожки и являются зеркальным отображением друг друга.
Анализ двухфакторного эксперимента
В результате проведения однофакторного эксперимента по определению влияния положения оси водила и массы инерционного бегунка mb на целевую функцию - вынуждающую силу вибровозбудителя, были получены зависимости вынуждающей силы Fy от текущего угла поворота водила (р в пределах 0 (р 360 для каждого варианта расположения оси водила.
На рис. 4.1 - 4.3 показаны экспериментальная зависимость проекции удельной вынуждающей силы Fy на ось ординат от угла поворота ф водила при эксцентриситете последнего е = 0,4011, что соответствует величине с = 0,029 м. На графике аналогичным образом нанесена штриховой линией теоретическая зависимость удельной вынуждающей силы Fv в зависимости от угла ф.
Анализ графиков рис. 4.1 показывает, что увеличение и уменьшение массы бегунка, по отношению к основному уровню (mb=0,05568 кг) , приводит к существенному искажению синусоидального характера зависимости удельной вынуждающей силы Fy , как функции угла ф. Характер зависимости вынуждающей силы, соответствующей основному уровню массы бегунка, максимально приближается к теоретической, что объясняется оптимальными соотношениями массы бегунка и основных параметров вибровозбудителя, таких как эксцентриситет беговой дорожки и частота угловых колебаний.
Седловидное уменьшение амплитуды вынуждающей силы Fy, по сравнению с теоретической зависимостью, для максимального и минимального значений массы инерционного бегунка, в пределах от 125 до 225 объясняется, соответственно, недостаточным и чрезмерным прижатием инерционного бегунка к поверхности беговой дорожки, что в первом случае приводит к частичному буксованию, а во втором к частичному юзу, имеющими ярко выраженное влияние при прохождении верхнего положения (tp = 180), где отрицательная работа силы тяжести подвижных звеньев вибровозбудителя имеет максимальное значение (влияние). При прохождении инерционным бегунком нижнего положения (ф = 0 , 360 ), вследствие максимального значения положительной работы сил тяжести подвижных звеньев вибровозбудителя, наблюдается рост амплитуды вынуждающей силы.
Экспериментальная зависимость проекции удельной вынуждающей силы на ось ординат от угла поворота водила вибровозбудителя и разной массы бегунка при центральном расположении оси водила.
Если теоретическая зависимость Fy (рис.4.2) в пределах от 90 до 270 имеет седловидное уменьшение амплитуды , в результате преимущественно тангенциальной ориентации действия на инерционный бегунок кориолисовых сил в указанном диапазоне угла ф, то на экспериментальной кривой седловина практически отсутствует. Сама же кривая проходит через среднее значение амплитуд теоретической кривой не зависимо от массы инерционного бегунка, имея четко выраженную выпуклость в пределах 90 ф 270, что можно объяснить погрешностями измерений и тензометрирования, которые сгладили седлообразное изменение удельной вынуждающей силы.
При этом экспериментальная зависимость Fy имеет ярко выраженный косину-соидальный характер, не зависимо от массы инерционного бегунка. С увеличением массы инерционного бегунка наблюдается рост амплитуды Fy, что указывает на пропорциональную зависимость Fy от массы инерционного бегунка при данном способе установки водила.
Анализ графиков рис. 4.3 выявил тенденцию к снижению периода колебаний Fy с увеличением массы инерционного бегунка, что объяснимо снижением диссипативных потерь при прохождении участков беговой дорожки, в которых радиус эллиптической беговой дорожки имеет экстремальные значения, за счет увеличения силы прижатия инерционного бегунка к поверхности эллиптической беговой дорожки, львиную долю которой составляет центробежная сила инерции бегунка, имеющая прямопропорциональную зависимость от массы бегунка.
Теоретические значения удельной вынуждающей силы Fy в функции угла (р несколько превышают по амплитуде экспериментально зафиксированное значение Fy в результате того, что на физической модели неизбежно имеют место диссипативные потери энергии на проскальзывание инерционного бегунка относительно беговой дорожки, неучтенные теоретической моделью силы сопротивления при взаимодействии сопрягаемых подвижных звеньев вибровозбудителя и т.п. Это в целом несколько снижает абсолютные величины удельной вынуждающей силы Fy при неизменных прочих параметрах и режимах работы вибровозбудителя.
Увеличение массы инерционного бегунка приводит к соответственному увеличению амплитуды удельной вынуждающей силы Fy, что объясняется, помимо общего увеличения инерционного момента планетарной системы, дополнительным уменьшением на преодоление участков эллиптической беговой дорожки, которые характеризуются экстремальными значениями её радиуса кривизны.
Следует отметить, что для асимметричных планетарных вибровозбудителей, так же как и для других типов вибровозбудителей, имеются диапазоны резонансных колебаний по частоте вращения водила, которые зависят от величины вынуждающей силы, собственной массы вибровозбудителя и жесткости упругих связей вибровозбудителя с неподвижным основанием. Для указанных в разделе 3 параметров физической модели вибровозбудителя резонанс наступал при частотах вращения 140 и 1000 об/мин во взаимноперпендикулярных направлениях, что соответствовало изгибной жесткости тензометрической балки, на которой был установлен вибровозбудитель, в направлении поперек и вдоль прямоугольного сеченияэтойтензобалки.
Явление резонанса является негативным фактором, так как ограничивает возможность увеличения частоты вращения вибровозбудителя. Увеличение напряжения электродвигателя постоянного тока привода водила и мощности, потребляемой вибровозбудителем, не приводит при резонансе к увеличению частоты вращения в результате интенсивного рассеивания подводимой энергии. Поэтому при выборе параметров привода асимметричного планетарного вибровозбудителя вибрационного катка необходимо предусматривать возможность быстрого преодоления резонансных зон вращения вибровозбудителя для вывода его на номинальную частоту вращения, соответствующую заданным величинам вынуждающей силы, либо подбирать жесткость системы подвески вибровозбудителя внутри вибровальца катка таким образом, чтобы резонансная частота вращения водила соответствовала его номинальной частоте вращения.
Данные, полученные в ходе экспериментов, были проверены на сходимость с результатами теоретических расчетов /80, 84, 104/. Величина расхождения между теоретическими и экспериментальными значениями в среднем составила 12-23 % .Наибольший разброс результатов наблюдается в интервалах (от 60 до 120) и (220 до 300). Увеличение эксцентриситета е способствовало увеличению расхождения теоретических и экспериментальных значений за счет соответственного уменьшения последних в этих случаях.
Смещение оси водила в один из фокусов дало наибольшую сходимость с теоретическими зависимостями. Однако увеличение массы бегунка не всегда ведет к соответственному увеличению вынуждающей силы. При чрезмерном увеличении массы маятника и большом эксцентриситете наблюдается интенсивный нагрев поверхности инерционного бегунка и беговой дорожки вследствие роста сопротивления движению инерционного бегунка.
Анализ технико-экономической эффективности вибрационного катка с асимметричным планетарным вибровозбудителем
Эффективность и качество уплотнения грунтов и других дорожно-строи-тельных материалов зависит от рационального выбора конструктивных параметров и режимов работы вибровозбудителя и катка в целом.
При выборе исходных параметров для расчета вибровозбудителя необходимо задаться конструктивной схемой вибровозбудителя, в нашем случае принимается, как наиболее эффективный /49,65/, асимметричный планетарный вибровозбудитель с эллиптической беговой дорожкой. Эффективность асимметричного планетарного вибровозбудителя определяется дополнительным действием на его инерционный бегунок кориолисовых сил, возникающих вследствие переменной величины радиус-вектора г положения оси вращения бегунка. Вынуждающая сила вибровозбудителя передаётся непосредственно через беговую дорожку, минуя подшипники водила, на внутреннюю поверхность вальца, причем величина вынуждающей силы существенно превышает величину вынуждающей силы асимметричного вибровозбудителя с круглой беговой дорожкой. Однако действие кориолисовых сил на бегунок вызывает его спонтанное проскальзывание на определенных участках траектории движения, что на порядок увеличивает энергоёмкость привода водила и ведёт к перегреву вибровозбудителя /42/.
Описанная в пунктах 2.1-2.6 математическая модель рабочего процесса АПВ с эллиптической беговой дорожкой была реализована на ПЭВМ с применением программного продукта MathCAD 2000 (2001), блок-схема программы представлена на рисунке 2.52. Однако, полученные в результате теоретических исследований, математические выражения достаточно сложны и громоздки, поэтому математическая модель была разбита на ряд самостоятельных блоков (подпрограмм), связанных логической последовательностью, которая обусловлена алгоритмом расчета. Программа расчета приведена в Приложении 3.
Предложенная методика расчета рациональных параметров АПВ с эллиптической беговой дорожкой призвана повысить эффективность катков с АПВ, вследствие обеспечения оптимальных значений получаемых контактных напряжений ок, а также снизить вредное влияние проскальзывания инерционного бегунка за счёт рационального выбора основных параметров вибровозбудителя.
Каждому дорожно-строительному материалу и этапу уплотнения соответствуют свои рекомендуемые значения ок /6/, которые должны удовлетворять неравенству: сгт(ак ст1]Р.
Поэтому в качестве исходных данных для расчета параметров АПВ для дорожных катков выступают: предел текучести материала от,, предел прочности о"ш , модуль упругости Е0.
Так же необходимо знать основные параметры дорожного катка, для которого проектируется АПВ: вес вальца Q, мощность двигателя NflB, радиус вальца RB и длина дуги контакта LAB.
Конструктивные параметры вибровозбудителя выбираются, исходя из размеров вальца вибрационного катка. Радиус внутренней поверхности обечайки вальца: RBH = RB - А, где RB — радиус вальца; А— толщина обечайки вальца. Из кинематических соотношений следует RBH — а + 2ть + с + lmjn, где а — большая полуось эллипса, гь — радиус бегунка, с — фокусное расстояние, lmjn — минимальный зазор между води л ом и внутренней поверхностью вальца (в случае маятникового водила).
Блок-схема алгоритма расчета представлена на рисунке 2.52. После ввода исходных данных (блок 1) производится выбор угловой скорости со вибровозбудителя (блок2). Максимальный диапазон скоростей со =250...400 с"1 соответствует вибровозбудителю с вынуждающей силой Рв = 80... 150 кН /112/. Практически to выбирается исходя из параметров гидрообъёмного или механического привода вибровозбудителя с коррекцией в сторону уменьшения. Далее производится выбор эксцентриситета эллиптической беговой дорожки е (блокЗ). При е — max имеем Рв — max и из рекомендаций пункта 2.6 и ограничений по спонтанному проскальзыванию бегунка етах = 0,06. Начальные для расчета значения эксцентриситета е = 0,01.. .0,06.
Выбор конструктивной схемы вибровозбудителя имеет существенное влияние на основные параметры вибровозбудителя, в нашем случае это выбор варианта установки оси водила (блок 5): в центре симметрии, в правом или левом фокусах эллиптической беговой дорожки. Т.к. от расположения оси водила зависит максимальный радиус бегунка rbmax, вводим ограничение по этому параметру (блок 7): rbmax rb, предварительно рассчитав его величину в зависимости от варианта установки водила (блок 6) из конструктивных соображе - . ..Центр " фокус Ч НИИ г =— г = Если это условие не выполнено, то необходимо выбрать иную конструктивную схему вибровозбудителя (блок 5).
Затем производится расчет кинематических характеристик вибровозбудителя в зависимости от варианта установки оси водила (блок 8), таких как: проекции абсолютной скорости и ускорения оси вращения бегунка, относительная скорость оси бегунка : Vx, VY, Vr, ах, aY.
Для того, чтобы на ранних этапах расчета параметров вибровозбудителя ограничить вредное влияние проскальзывания ограничение по углу контакта в со 152 ответствии с методикой, изложенной в пункте 2.2 (блок 10): 5тах [s]. Угол контакта рассчитывается в зависимости от варианта установки водила (блок 9): =
