Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Постановка задачи и методика проведения исследований 9
1.1. Основные факторы, характеризующие процесс уплотнения 9
1.2. Краткий обзор предшествующих исследований 15
1.3. Задачи и методика исследований 29
ГЛАВА П. Взаимодействие пневматических шин с жесткой опорной поверхностью 34
2.1. Методы определения прогиба пневматических шин 34
2.2. Результаты статических испытаний шин катков 41
ГЛАВА Ш. Контактные давления и деформации слоя материала на жестком основании 61
3.1. Постановка задачи 61
3.2. Решение контактной задачи для слоя конечной толщины 69
3.3. Определение контактных напряжений и деформаций для слоя конечной толщины. 81
3.4. Контактные давления и деформации в слое конечной толщины для некоторых частных случаев 85
3.5. Расчет контактных давлений под плоским жестким штампом 89
3.6. Расчет контактных давлений под жестким штампом, вдавливаемым в относительно тонкий слой 99
ГЛАВА ІУ. Результаты экспериментальных исследований и выбор основных параметров шин катков 106
4.1. Экспериментальное исследование деформирования нежестких слоев на жестком основании 106
4.2. Исследование процесса уплотнения слоя асфальтобетонной массы пневматическим колесом 115
4.3. Выбор основных параметров шин катков на пневматических шинах 123
4.4. Сравнительный анализ экономической эффективности применения катков с шинами различных типоразмеров 137
ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 152
ЛИТЕРАТУРА ' 154
ПРИЛОЖЕНИЕ 167
- Основные факторы, характеризующие процесс уплотнения
- Методы определения прогиба пневматических шин
- Постановка задачи
- Экспериментальное исследование деформирования нежестких слоев на жестком основании
Введение к работе
Дорожному строительству уделяется большое внимание, о чем свидетельствуют решения ХХУІ съезда КПСС и Постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР "О мерах по улучшению строительства, ремонта и содержания автомобильных дорог в стране". В отчетном докладе ЦК КПСС ХХУІ съезду партии [27] отмечалось, что развитие дорожной сети отстает от возрастающих нужд экономики. В результате намечена и осуществляется широкая программа прокладки новых и реконструкции действующих магистралей. Признано необходимым ускорить создание опорной сети автодорог с усовершенствованными покрытиями, обеспечивающими, с одной стороны, надежное транспортное сообщение между крупными экономическими районами, с другой стороны - снижение себестоимости грузовых перевозок по ним до двух-трех копеек за тонно-километр (на трассах без твердого покрытия себестоимость перевозок составляет 15- 20 копеек за тонно-километр) [2].
На грузоподъемность и долговечность автомобильных дорог влияет качество уплотнения оснований и покрытий. Установлено, что разрушение дорог за счет недостаточного уплотнения основания составляет около 11$. Это приводит к повышению требований как к самому процессу уплотнения, так и к применяемому для этой цели оборудованию.
Высокие требования предъявляются к покрытиям автомобильных дорог. При укладке верхних слоев дорожных одежд особое внимание уделяется плотности покрытий, их водонепроницаемости, ровности и шероховатости. Учитывая это, а также, отмечая большой объем асфальтобетонных работ, становится целесообразным рассмотреть вопрос о проектировании специальных катков для уплотнения верхних слоев асфальтобетонных дорожных одежд.
Современным требованиям наиболее полно удовлетворяют катки на пневматических шинах. Их основные преимущества, по сравнению с гладковальцевыми состоят: в возможности получать необходимые контактные давления при уплотнении различных материалов за счет наличия системы изменения давления воздуха в шинах, в большей площади контакта с поверхностью уплотняемого материала, в более равномерном распределении давлений по этой площади, в меньшем изменении площади контакта в процессе укатки за счет эластичности шины, в отсутствии разрушения твердых фракций, входящих .применения, в состав асфальтобетона, за счетгнезависимой подвески колес.
Все это способствует увеличению глубины распространения напряжений в уплотняемом материале и длительности их воздействия. Катки на пневматических шинах обладают высокой производительностью при низкой стоимости работ и могут применяться при уплотнении связных и несвязных грунтов, грунтов, укрепленных вяжущими, щебня, битумоминеральных и асфальтобетонных смесей. В связи с этим они получили в настоящее время большое распространение в мировой практике строительства дорог.
Изучению взаимодействия катков на пневматических шинах с уплотняемым материалом посвящены теоретические и экспериментальные работы Бабкова В.Ф. [13], Батракова О.Т. [18], Бируля А.К. [23], Варганова С.А. [29], Вощинина Н.П. [32], Иванова Н.Н. [41], Калужского Я.А. [45], Коротина О.Ю. [55], Островцева Н.А. [63], Путка А.И. [67], Смоленцевой В.А. [76], Ульянова Н.А. [82], Хархуты Н.Я. [89], а также многих других исследователей и целых коллективов как у нас в стране, так и за рубежом. При этом исследовались вопросы устойчивости катков [63], усовершенствования конструкции [28], величины и характера распределения давлений по поверхности контакта и по глубине уплотняемого слоя [56]. Исследовалось влияние давления воздуха в шинах на эффективность процесса уплотнения, скорость изменения давления воздуха в шинах [96] и т.д. В результате проведенных исследований предложены методики выбора основных параметров катков на пневматических шинах [56,67,381. Однако эти методики разработаны применительно к уплотнению слоев большой толщины и слабо учитывают специфику уплотнения асфальтобетонных покрытий, укладываемых тонкими слоями. Вместе с тем многими исследователями показано, что в тех случаях, когда толщины слоев соизмеримы с размерами контактной поверхности, на величину и характер распределения контактных давлений заметно влияет жесткость основания. Поэтому исследования, посвященные выбору основных режимов работы катков на пневматических шинах, предназначенных для уплотнения тонких слоев асфальтобетонных покрытий, являются актуальными.
Целью данной работы является исследование взаимодейст- вия рабочего органа катка (пневматической шины) со слоем асфальтобетонного покрытия и создание на базе этого методики выбора основных режимов работы катков.
Научная новизна работы заключается в следующем: разработан простой метод определения радиального прогиба шины на основе использования унифицированной обобщенной характеристики, решена контактная задача деформирования слоя, расположенного на жестком основании, осесимметричным штампом, разработан алгоритм расчета деформаций и контактных давлений под осесимметричным штампом при изменении относительной толщины слоя в широких пределах.
Практическая ценность состоит в том, что полученные зависимости позволяют производить выбор нагрузки на колесо и давления воздуха в шине в зависимости от толщины слоя уплотняемого материала и его деформативных характеристик на всех стадиях процесса уплотнения. Предложены приборы, с помощью которых можно регистрировать прогиб пневматической шины и деформацию уплотняемого материала в процессе укатки. Дано технико-экономическое обоснование использования при уплотнении асфальтобетонных покрытий катков с шинами меньших размеров, чем применяемые в настоящее время.
Реализация работы. Основные результаты исследований внедрены и используются в текущей работе Государственным Всесоюзным Дорожным Научно-исследовательским институтом (СоюздорНИИ) и могут быть использованы другими соответст- вующими организациями и предприятиями при проектировании новых катков на пневматических шинах, а также при определении возможностей и целесообразности применения уже существующих типов этих машин.
Достоверность теоретических исследований в работе подтверждается лабораторными и полевыми экспериментами.
Основные результаты исследования докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры Д и СМ ЛДИ имени М.И.ІІалинина, Ленинград, 1976, 1982 гг; на научном семинаре кафедры ТММ ЛИТЛП имени С.М.Кирова, Ленинград, 1981 г.; на заседании секции машин для строительства дорожных и аэродромных покрытий научно-технического Совета НПО ВНИИСтройдормаша, Москва, 1981 г.; на заседании кафедры ДСМ и О ЛИСИ , Ленинград, 1982 г.
Поставленные и решенные в работе задачи, связанные с совершенствованием выбора режимов работы катков на пневматических шинах при уплотнении асфальтобетонных дорожных покрытий, опубликованы в четырех статьях.
Основные факторы, характеризующие процесс уплотнения
Целью уплотнения является достижение материалом требуемой плотности и прочности. При уплотнении укаткой сближение частиц материала и придание ему требуемой прочности обеспечивается благодаря действию катка, многократно проходящего по поверхности слоя уплотняемого материала.
При уплотнении катками на пневматических шинах на процесс уплотнения влияют: физико-механические свойства уплотняемого материала, размеры и конструктивные особенности шины, давление воздуха в ней, нагрузка на колесо, расстановка колес в плане, скорость укатки и многие другие факторы. В работе [18] отмечается, что эффективность уплотнения зависит от сил сопротивления:
- структурного (пропорционального деформациям),
- вязкого (пропорционального скорости),
- инерционного (пропорционального ускорениям).
На структурное сопротивление влияет содержание и состав жидкой фазы. Вязкое сопротивление обусловлено временем приложения нагрузки. Инерционное сопротивление намного меньше структурного и вязкого, так как возникающие при укатке изменения скорости невелики и его можно не учитывать. Процесс уплотнения характеризуется следующими величинами :
1) требуемой плотностью,
2) толщиной уплотняемого слоя,
3) величиной и характером распределения контактных давлений.
Эти параметры оказывают прямое влияние на уплотняющую способность катков. Уплотняющая способность характеризуется той конечной плотностью, которую можно достигнуть в процессе уплотнения материала при данных условиях, а также той толщиной слоя, при которой эта плотность может быть получена в нижней его части. При этом должно быть учтено и необходимое число проходов катка. В конечном итоге уплотняющая способность определяет производительность катков. Определение уплотняющей способности является одной из основных задач при создании и проектировании катков.
Исследованию взаимодействия катков на пневматических шинах с уплотняемой поверхностью посвящены многие работы [8,17,44,55,56,63,76,82,89,94]. Большая работа по выявлению уплотняющей способности катков была проведена в СоюздорНИИ, в Ленфилиале СоюздорНИИ, в МАДИ, в ХАДИ и во ВНИИСтройдор-маше.
Методы определения прогиба пневматических шин
Как отмечалось в п.1.1, эффективность укатки обеспечивается выполнением следующего условия: контактные давления должны быть меньше или равны пределу прочности уплотняемого материала (I.I) в течение всего процесса уплотнения. В то же время за счет остывания и повышения коэффициента уплотнения материала предел прочности его возрастает за каждый проход катка. Следовательно для соблюдения условия (I.I) давления в зоне контакта рабочего органа с уплотняемой поверхностью также должны повышаться. При работе катков с гладкими вальцами контактные давления в некоторых пределах повышаются автоматически, за счет уменьшения площади контактной поверхности при постоянной нагрузке. Для более точного соблюдения условия (I.I) контактные давления можно увеличить путем применения более тяжелых типов катков. При уплотнении материалов катками на пневматических шинах величину контактных давлений также можно изменить путем повышения давления воздуха в шинах. Изменение давления воздуха в шине при постоянной нагрузке на колесо влечет за собой изменение размеров поверхности контакта и, следовательно, изменение величины и характера распределения контактных давлений (см. рис.1.1).
Следует отметить, что в некоторых работах [99,ЮО] имеется некорректный вывод о преимущественном влиянии на процесс уплотнения нагрузки на колесо. В действительности, процесс уплотнения в большей степени зависит от величины и характера распределения контактных давлений под уплотняющим органом. При этом с физической точки зрения не столь важно получены ли необходимые контактные давления увеличением нагрузки на колесо или уменьшением площади контакта (последнее эквивалентно увеличению давления воздуха в шине). Из экспериментальных исследований, проведенных Н.Я.Хархутой [89], следует, что на практике целесообразно получить необходимые контактные давления регулированием давления воздуха в шине. Так для шины 18.00-25 (мод. В-76) для увеличения контактных давлений в 1,63 раза требуется изменение нагрузки на колесо в 5 раз, в то время как изменение контактных давлений в 2,25 раза достигается лишь трехкратным увеличением давления воздуха в шине. Кроме того в эксплуатационных условиях невозможно осуществить быстрое изменение нагрузки на колесо (от прохода к проходу), в то время как для быстрого изменения давления воздуха в шинах к настоящему времени разработаны надежные и эффективные способы [96].
В соответствии с принятой в п.1.3 методикой исследований, для установления связи между размерами контактной поверхности, с одной стороны, и свойствами уплотняемого материала, толщиной слоя, нагрузкой на колесо, давлением воздуха в шине и ее конструктивными особенностями, с другой стороны, необходимо провести исследование пневматической шины на жесткой опорной поверхности. Установление такой связи позволяет определить оптимальные параметры шин катков. Изучение свойств шины при взаимодействии ее с жесткой опорной поверхностью значительно упрощает исследования, так как влиянием свойств уплотняемого материала на размеры контактной поверхности в этом случае можно пренебречь. Деформация пневматической шины, определяющая площадь контактной поверхности и характеризуемая в данном случае радиальным прогибом, может быть определена из статических характеристик, связывающих между собой нагрузку на колесо, радиальный прогиб и давление воздуха в шине. Статические характеристики определяют экспериментально на прессах, регистрирующих при нагружении шины величину радиальных прогибов при разных сочетаниях давления воздуха в ней и нагрузки на колесо [49,91]. По результатам испытаний строят нагрузочные характеристики, представляющие собой семейство кривых в координатах: радиальный прогиб в функции от нагрузки на колесо при различных давлениях воздуха в шине (рис.2.1) 0 =г(г,р ). Одновременно с определением нагрузочной характеристики снимают отпечаток контакта шины с опорной поверхностью.
Постановка задачи
Задача о напряженном состоянии слоя материала, расположенного на жестком основании при вдавливании в него пневматической шины, которая при этом деформируется, является чрезвычайно сложной. Для упрощения задачи шина может быть принята за штамп, который в процессе нагружения изменяет форму и размеры контактной поверхности. В начале процесса уплотнения, когда деформируется в основном уплотняемый материал, шина представляет собой сферический штамп, в конце процесса уплотнения деформируется, в основном, шина и ее условно можно заменить плоским штампом. Следует также отметить, что асфальтобетон является неоднородным материалом и обладает вязко-упруго-пластичными свойствами. Его деформативные характеристики в большой степени зависят от состава смеси, от температуры, от коэффициента уплотнения, от скорости приложения нагрузки и от многих других факторов. Однако, теоретическое решение контактной задачи о вдавливании штампа переменной упругости в слой конечной толщины, обладающий перечисленными выше свойствами, очень затруднительно. Обзор работ, посвященных этому вопросу [24,43,54,58,68,74,107,III,112],показал, что имеющиеся в настоящее время решения даже более простых задач заканчиваются либо сингулярными интегральными уравнениями [l07,IIl], либо парными интегральными уравнениями [ІІ0,43], либо интегральным уравнением с симметричным ядром [58]. Получение численных результатов связано со значительными вычислительными трудностями, что конечно затрудняет применение этих решений в повседневной инженерной практике. Поэтому целью исследований в этом направлении явилось получение зависимостей между нагрузкой на штамп и деформацией материала в функции от относительной толщины деформируемого слоя в конечном виде, используя ряд допущений.
Одним из основных допущений является предположение о линейной деформируемости уплотняемой среды. Это допущение принято во многих работах [1,23,34,37,42,61,83,89,92]. При этом предполагается, что линейной при уплотнении является зависимость между давлениями и деформациями. Указанное допущение прошло проверку практикой и с достаточной степенью точности для установления связи между давлением и деформацией можно использовать теорию линейно деформируемой среды. Основанная на таком предположении теория разработана для сплошных сред. Грунты и асфальтобетоны относятся к дисперсным материалам. Однако, исследованиями Н.М.Герсеванова [34] установлено, что определение давлений и напряжений для указанных дисперсных материалов можно производить, используя общую теорию сплошных сред. Возможность такого допущения при рассмотрении вопросов взаимодействия шин с поверхностью качения была показана Н.А.Ульяновым [83,84]. Таким образом, при рассмотрении деформирования слоя материала при уплотнении зависимость между давлением и деформацией принимается линейной.
Несмотря на значительное упрощение, связанное с принятым выше допущением, задача остается еще весьма сложной. Поэтому, как отмечалось в п.1.3, целесообразно применить методику исследований, разработанную Н.Я.Хархутой [89] и деформативные характеристики слоя материала исследовать отдельно от шины при воздействии на него жесткого штампа.
Уплотняемый слой горячего асфальтобетона укладывается на ранее уплотненный холодный асфальтобетон, который в этом случае является жестким основанием. Известно, что модули деформации этих сред различаются в десятки и даже сотни раз так, что в идеальном случае нижний слой можно принять за абсолютно жесткое основание.
Экспериментальное исследование деформирования нежестких слоев на жестком основании
Задачей экспериментальных исследований являлась проверка установленных теоретических зависимостей. После такой проверки становится возможным положить эти зависимости в основу методики выбора шин катков и параметров для этих шин.
Ранее, в главе Ш, была получена зависимость (3.65), которая устанавливает связь между нагрузкой, приложенной к жесткому цилиндрическому штампу, вдавливаемому в слой конечной толщины, и деформацией этого слоя. Используя зависимость между модулем упругости и модулем деформации, полученную Н.Я.Хархутой для линейно деформируемого полупространства, выражение (3.65) можно преобразовать к виду: где Ь - модуль деформации полупространства. Очевидно, что влияние жесткости основания учитывается коэффициентом толщины к , зависимость которого от относительной толщины слоя приведена на графике (рис.3.5) или представлена формулами (3.80) и (3.81).
В ряде работ [25,63] влияние жесткости основания учитывается путем введения общего или эквивалентного модуля деформацииL n , который зависит от относительной толщины слоя. В этом случае эквивалентный модуль деформации материала определяется зависимостью: и находится по нагрузке на штамп г с учетом учетом развивающейся деформации X слоя материала.
Из сравнения выражений (4.1) и (4.2) следует, что расчетное значение эквивалентного модуля деформации можно получить по следующей формуле
Входящий в формулу (4.3) модуль деформации полупространства L учитывает реальную характеристику уплотняемого материала, зависящую от состава смеси, температуры, реологических свойств уплотняемого материала и многих других факторов и изменяющихся от прохода к проходу катка при уплотнении. Величина t может быть определена по экспериментальным данным или теоретическим путем [18,89] с учетом перечисленных выше факторов. Коэффициент к дает количественную оценку влияния жесткости основания наЕ о в зависимости от относительной толщины слоя. Таким образом, эквивалентный модуль деформации Е « в достаточно полной мере учитывает основные свойства уплотняемого материала. При таком подходе коэффициент деформации для слоя конечной толщины будет иметь вид.
Экспериментальные исследования зависимости эквивалентного модуля деформации от относительной толщины слоя проводились совместно с Е.Стефанюк. Величина эквивалентного модуля деформации определялась по результатам вдавливания круглого жесткого штампа в слой конечной толщины, расположенный на абсолютно жестком или на деформируемом основаниях (рис.4.1).
