Содержание к диссертации
Введение
Глава I Состояние вопроса и задачи исследований. 8
1.1. Критерии эксплуатационной пригодности снеголедяных покрытий. Основные свойства снега и способы его упрочнения 8
1.2. Снегоуплотнягощие машины для строительства дорожных покрытий из снега 15
1.3. Анализ исследований по виброуплотнению дорожно-строительных материалов 23
1.3.1. Основные параметры и расчетные схемы процесса виброуплотнения 23
1.3.2. Основные реологические модели и возможность их применения при анализе уплотнения снега 32
1.4. Выводы. Цель и задачи исследований 38
Глава II. Методика выполнения исследований 41
2.1. Направление аналитических исследований 41
2.2. Методика проведения экспериментальных работ. 43
2.2.1. Измерение деформаций снега под воздействием сжимающей нагрузки 45
2.2.2. Измерение плотности, твердости и влажности снега 52
2.2.3. Измерение внутреннего трения и сцепления снега 57
2.3. Экспериментальное снегоуплотняющее оборудование 62
2.4. Определение количества измерений 68
Глава III. Исследование процесса виброуплотнение снега 71
3.1. Реологическая модель снега как объекта уплотнения 71
3.2. Математическая модель процесса виброуплотнения снега 82
3.3. Область существования устойчивых периодических режимов работы виброплиты 89
3.4. Влияние статического давления,вынуждающей силы и частоты колебаний на эффективность уплотнения снега 96
3.5. Экспериментальная проверка результатов аналитических исследований 106
Выводы 111
Глава ІV. Формирование тяговых сопротивлений и призмы волочения при перемещении уплотняющей плиты по снегу 113
4.1. Тяговые сопротивления поступательному перемещению плиты 113
4.2. Влияние угла наклона передней стенки и вибрации плиты на образование призмы волочения и тяговые сопротивления 120
4.3. Рациональные геометрические параметры плиты. Способы предохранения плиты от намерзания снега 129
Выводы 136
Глава V. Выбор параметров виброплиты для уплотнения снега. Создание и вопросы внедрения снего-уплотняющей машины 138
5.1. Рекомендации по выбору основных параметров и конструкции виброплиты 138
5.2. Создание снегоуплотняющей машины для строительства снеголедяных дорожных покрытий 144
5.3. Внедрение результатов исследований и технико-экономическая эффективность снегоуплотняющей машины 150
Выводы 152
Основные выводы 154
Литература... 157
Приложения 170
- Основные реологические модели и возможность их применения при анализе уплотнения снега
- Измерение деформаций снега под воздействием сжимающей нагрузки
- Влияние статического давления,вынуждающей силы и частоты колебаний на эффективность уплотнения снега
- Влияние угла наклона передней стенки и вибрации плиты на образование призмы волочения и тяговые сопротивления
Введение к работе
Одной из наиболее характерных особенностей 70-х - 80-х годов, как указано в Отчетном докладе ХХУІ съезду КПСС [і.i] , являются крупные перемены в размещении производительных сил страны - перемещение энергетики и сырьевой базы на Восток. Ускоренное освоение и развитие Сибири и Севера, где сосредоточена преобладающая часть полезных ископаемых и природных ресурсов страны, предусмотрено основными направлениями экономического и социального развития страны на период до 1990 г. [1,2] •
Важнейшим условием успешного освоения Сибири и Севера является первоочередное развитие транспортных путей сообщения. Запланированный на 11-ю пятилетку ввод в эксплуатацию Байкало-Амурской магистрали существенно усилит железнодорожное обеспечение этих районов, в которых в настоящее время железнодорожная сеть развита пока ещё слабо. Себестоимость грузоперевозок воздушным транспортом, значение которого для Севера трудно переоценить , остается очень высокой. Использование речного транспорта ограничивается локальностью действия и кратковременностью навигационного периода. Автомобильных дорог с усовершенствованным покрытием здесь также сравнительно мало. Если на 1000 кит территории СССР приходится в среднем около 15 км автомобильных дорог с твердым покрытием, а в центральных районах страны - 55,6 км, то на территории Азиатского Севера - только 0,3 км, [3.1,3.2] . Поэтому в этих районах, отличающихся длительным периодом отрицательных устойчивых температур, значительный объем грузоперевозок осуществляется по временным зимним автомобильным дорогам - автозимникам, технико-экономическая целесообразность которых обоснована достаточно глубоко [2.1,3.3,3.4] .
В многоснежных северных районах при. проведении поисковых и геологоразведочных работ, первоначальном освоении месторождений полезных ископаемых, на вывозке леса автозимники устраиваются с использованием уплотненного снега или снегольда в качестве дорожного покрытия. Следует отметить также интенсивно развивающиеся в последние годы работы, связанные со строительством снеголедяных аэродромов в Антарктиде[3.53 , где снег является практически единственным доступным местным строительным материалом.
Использование снега в дорожном строительстве потребовало глубокого изучения его физико-механических свойств. Известно большое v/ количество работ, посвященных исследованию свойств снега и различным способам его упрочнения. К ним относятся исследования отечественных авторов Г.Д.Рихтера, П.П.Кузьмина, И.В.Крагельского, А.А.Шахова, Г.К.Тушинского, А.Л.Горбунова, К.Ф.Войтковского, А.Ф.Николаева, А.Н.Иванова, Б.А.Савельева, Г.Л.Карабана, Ю.Н.Орлова, Г.В.Бялобжеского, В.Е.Харькова,С.Н.Карташова, Г.К.Сулаквелид-зе, А.м.Эльмесова, В.А.Халчеева, М.А.Долова, В.К.Савиных, Л.В.Новикова, А.С.Слюсарева, С.С.Соловьева, А.А.Киричка, В.Д.Клокова и др., а также работы зарубежных авторов: Z . lo uciat S.Kinx u a, К &сіоіегІ С. ben.son/ Ъ. Дп.оі. е,г%оп., И/. Ксгъаегу, 6. WULambt ГЛ. те Могу и$р
Изучение возможностей использования снега в качестве дорожностроительного материала в нашей стране ведется с 30-х годов. Накануне и в период Великой Отечественной войны в эту работу включились АН СССР, НИАИ, ЦНИИИ им. Карбышева, Союздорнии и др. организации. В 50-х - 60-х годах изучением механических свойств снега и созданием устройств для возведения дорожных покрытий из снега занимались ЦНИИМЭ (г.Химки), ГПИ им.А.А.Жданова (г.Горький), СевНИИП (г.Архангельск), филиал С0ЮЗД0РИИИ (г.Омск), филиал (г.Красноярск). В 70-е годы значительные работы по установлению возможности и технологии возведения снеговых аэродромов в Антарктиде проведены институтами НИИ оснований и фундаментов, Ленаэропроектом, ААНИИ. Советскими учеными Н.Ф.Сав-ко, Л.Н.Плаксой, М.й.Кишинским разработаны конструкции и методические указания по строительству снеговых автозимников [2.2, 7.I-7.3J , а Г.Я.Ключниковым - нормативные материалы по устройству снеголедяных антарктических аэродромов [7.4] .
Возведение покрытий из снега требует, прежде всего, резкого его упрочнения. Так, если модуль деформации целинного снега плотностью 0,25 г/см3 не превышает 100 кПа, то для обеспечения работо- способности покрытия из снега при движении с интенсивностью до 100 автомобилей в сутки верхний слой должен иметь модуль деформации (5-6).104 кПа [2.3] .
Основным методом упрочнения снега является его уплотнение. Статическим способом за счет нескольких проходов дорожного катка может быть получено удовлетворительное покрытие при уплотнении свежевыпавшего снега, обладающего, как правило, естественной влажностью, что способствует образованию снегольда. При этом снег следует уплотнять слоями не более 10-15 см [7.] . Еще менее производительны используемые сравнительно широко различные устройства типа гладилок, волокуш и т.п.
Перспективным представляется применение виброплит, которые широко используются при уплотнении грунта, бетона и других материалов. В.М.Ковалевский [3.6,5.1] показал практическую возможность уплотнения снега большой толщины за один проход виброплиты v и рекомендовал Отдельные рациональные параметры виброуплотнения при обработке неувлажненного снега, в частности, ускорение и амплитуду колебаний. Однако в целом вопросы вибрационного уплотнения снега, в т.ч. искуственно увлажненного (термообработанного), исследованы крайне недостаточно, что ограничивает возможность создания эффективных снегоуплотняющих устройств.
Актуальность возведения высокопрочных дорожных и аэродромных " покрытий из снега,с одной стороны, и недостаточная изученность вопросов уплотнения снега, с другой стороны, потребовали проведения специальных исследований с целью определения рациональных параметров и создания виброуплотнителя для строительства снего-ледяных дорожных покрытий. В процессе этих исследований предложена реологическая модель снега как объекта уплотнения, определены значения реологических параметров и их зависимость от плотности снега при его нагружении и разгрузке и на этой основе разработана математическая модель процесса виброуплотнения снега; установлены зависимости Процесса развития остаточных объемных деформаций, определяющих эффект уплотнения снега, от динамических параметров виброуплотнителя и определены зоны устойчивых периодических режимов работы виброплиты; установлены зависимости для определения параметров плиты, обеспечивающих её перемещения без образования призмы волочения, и уточнено влияние вибрации на ве-личину тяговых сопротивлений.
В результате проведенных исследований разработана инженерная методика определения основных параметров виброплит для уплотнения снега, которая внедрена при создании снегоуплотняющих машин для строительства снеголедяных покрытий в ряде организаций страны.
Основные реологические модели и возможность их применения при анализе уплотнения снега
Следует отметить, что положительному эффекту искусственного увлажнения снега сопутствуют и некоторые негативные явления, связанные с интенсивным намерзанием обогретого снега к металлическим деталям снегообрабатывающих машин и механизмов при температурах -ЮС и ниже. Во время производственных испытаний опытных образцов машины СУМ-280, изготовленных Магаданским механическим заводом по документации СевНИИП и проведенных в районе поселков Карамкен и Певек (Магаданская обл.) при участии автора и других работников Красноярского филиала ВНЙИСТРОЙДОРМАШ, наблюдалось интенсивное намерзание обогретого снега к виброплите. В результате перед ней накапливалась призма волочения, которая расталкивалась по обочинам и приводила к буксованию тягача. Имели место, случаи, когда при трогании машины с места после её кратковременной остановки примерзший к днищу виброплиты слой снегольда отрывался от поверхности дороги. Попытки исключить намерзание путем предварительного обледенения передней части (носка) виброплиты или нанесения на её поверхность смеси автола с дизельным топливом не дали заметных результатов. К сожалению , явление намерзания снега , способы борьбы с ним при строительстве снеголедяных дорожных конструкций в литературе не нашли отражения, за исключением работы А.Ф.Николаева [5.4] , который рекомендует для уменьшения налипания снега и снижения коэффициента трения облицовывать листовой нержавеющей сталью соприкасающиеся со снегом поверхности.
В описанных конструкциях в качестве уплотнителей используются виброплиты с вертикальными направленными колебаниями, создаваемыми дебалансными вибраторами. Несмотря на то, что виброплиты предназначены для работы в аналогичных условиях, основные параметры виброуплотнителей значительно различаются между собой. Так, частота колебаний составляет от 35 Гц у машины СУМ-З у до 75 Гц у СУМ-ГПИ 39-40, а отношение веса уплотнителя к вынуждающей силе колеблется от 0,35 у машины СУМ-280 до 1,25 у машины СУМ-300. Различно также удельное статическое давление виброуплотнителей. Такая вариация при назначении основных параметров является следствием недостаточной изученности процесса виброуплотнения снега, что в свою очередь, приводит к недостаточно эффективной работе созданных снегоуплотняющих машин. Например, построенные машиной СУМ-280 в Магаданской области снеголедяные покрытия имели толщину не более 100 мм, что не обеспечивает проезд по ним современного автотранспорта.
В современных технологических схемах дорожного строительства поверхностные вибрационные машины широко распространены наряду с катками, причем по сравнению с последними виброплиты менее энергоемки и металлоемки [4.4] . Удельное статическое давление, являющееся определяющим фактором для обеспечения проходимости по снегу, у виброплит в 10-20 раз меньше, чем у катков. Как отмечалось ранее, во всех конструкциях снегоуплотняющих машин в качестве уплотняющего рабочего органа используются виброплиты.
Вопросам вибрационного воздействия на различные материалы посвящены многочисленные исследования [2.27-2.31,3.40] . Большинство исследователей (Д.Д.Баркан, П.М.Миклашевский, А.Е.Десов, Л.П.Петрунькин и др.) эффект вибрационного воздействия на среду объясняют изменением её физических свойств при вибрации. При этом уплотняемая среда представляется как система, находящаяся в равновесии под действием внешних (вес виброуплотнителя и самой среды) и внутренних (сопротивление деформации) сил. Сопротивление деформации определяется силами трения и сцепления между частицами и агрегатами среды [2.32,2.33] . Д.Д.Баркан считает [2.28] , что на сопротивление грунта уплотнению решающее влияние оказывает вибровязкость, возникающая вследствие развития явлений переноса и изменения количества движения уплотняемого грунта. За счет подводимой к возбудителю колебаний энергии частицы и агрегаты среды, находящейся в контакте с виброплитой, приходят в колебательное движение. При этом связи между частицами, обусловленные для несвязной среды силами трения, ослабевают. Под действием веса вибратора и собственного веса частицы перемещаются и происходит их более плотная упаковка и укладка.
Колебательное движение характеризуется амплитудой ( а ) и частотой (со ), а также производными этих параметров - скоростью ( йсо ) и ускорением ( ас )г ). Однако единого мнения о преимущественном значении того или иного параметра на эффект уплотнения нет. Так, акад. П.А.Ребиндер [2.34J считает, что каждому размеру частиц соответствует определенная частота колебаний, при которой сопротивление уплотнению минимально. Поскольку в грунте имеются частицы и агрегаты различных размеров, то наиболее эффективным является поличастотное вибрирование. По данным Д.Д.Барка на [2.28] , определящим при виброуплотнении грунта является ускорение колебаний. Эту точку зрения разделяют , в частности, В.М.Ковалевский для неувлажненного снега fB.I] , Leslie Уоипсі для песка [3.40] . О.А.Герщберг считает решающим фактором скорость колебаний, а В.Н.Шмигальский - интенсивность колебаний агоо . А.А.Киричек [4.3J по аналогии с вибропрессованием сено-соломистых материалов принимает для уплотнения снега в замкнутом объеме в качестве определяющего критерий Струхаля ( Sk-V/cicol где V скорость статической осадки). И.И.Блехман и Г.Ю.Джанелидзе теоретически показали , что уменьшение сопротивления среды деформации можно объяснить чисто механическим эффектом колебательного движения, "но никак не изменением физических свойств грунта под действием вибрации, как это зачастую предполагается без должных Vу оснований" [2.353
Поскольку в связных средах сопротивление деформации определяется преимущественно силами сцепления, которые при вибрации уменьшаются незначительно [2.32,2.33] , то большинство исследователей рекомендуют виброуплотнение преимущественно для малосвязных грунтов. В.М.Безрук [2.36] , А.АЛестопалов [4.41 экспериментально установили высокую эффективность виброуплотнения укрепленных цементом грунтов.
Измерение деформаций снега под воздействием сжимающей нагрузки
После преобразования выражения (2.2) с использованием (2.1) находим выражение для жесткости С , при которой отношение силы инерции к весу рамы не превышает заданной величины Кр :
С помощью (2.3) могут быть выбраны значения жесткости С $ обеспечивающие величины Кр 4 V , или что то же самое Ри 4 иР. Тогда нагрузка, создаваемая рамой на виброплиту, может быть принята безинерционной, а модель на рис.2.2 становится идентичной расчетной схеме на рис.1.6. Эта схема и принята в качестве принципиальной модели при анализе процесса виброуплотнения снега.
Аналитические исследования процесса виброуплотнения выполнены в направлении выявления зависимости развития остаточных объемных деформаций в снеге от динамических параметров виброуплотнителя. Для этого с помощью ЭВМ выполнено прямое интегрирование дифференциальных уравнений, описывающих модель процесса. Результаты такого "машинного эксперимента" позволили также установить значения коэффициента восстановления скорости и времени ударного взаимодействия виброплиты со снегом и на этой основе определить границы её устойчивых периодических режимов работы.
Аналитическое исследование процесса перемещения плиты со скоростью Vc (рис.2.1) выполнено в направлении выявления особенностей формирования тяговых сопротивлений её скольжению и определения на этой основе условий её движения без образования призмы волочения.
Экспериментальные работы проведены , в основном, в направлении установления значений параметров снега (деформации, сцепление, коэффициенты трения, плотность, влажность), необходимых для построения и анализа расчетных схем процесса взаимодействия виброплиты со снегом и для оценки точности результатов аналитических исследований.
Измерения деформаций под воздействием сжимающей нагрузки выполнены,для установления реологической модели снега. Эта модель, помимо формирования реакции на уплотняющее тело со стороны снега , должна достаточно точно в заданных пределах нагрузки описывать особенности деформирования самого снега, так как конечной задачей уплотнения является получение остаточных (необратимых) деформаций за счет изменения объема.
Реологические свойства снега оценивались путем быстрого (условно мгновенного) безударного нагружения штампа, выдерживания этой нагрузки в течение достаточно продолжительного времени и затем быстрой разгрузки. Аналогичная методика , как известно [2.4, 2.22,2.25] , используется в механике грунтов и других строительных материалов.
Исследования выполнены с помощью специально изготовленного переносного прибора для штамповых испытаний. Прибор (рис.2.3) состоит из станины и подвижной части , включающей трубчатый стержень, нагрузочную площадку и штамп. Общая масса прибора составляет 6,2 кг, масса подвижной части, изготовленной для облегчения из алюминиевого сплава, равна 1,2 кг. Ненагруженная подвижная часть при диаметре штампа 8 см (площадь 50 смс) создает нагрузку 2,4 кПа, что меньше давлений, при которых начинается деформация снега плотностью более 0,25 г/см5 [3.3IJ . Осадка штампа измерялась с точностью до 0,005 мм с помощью индикаторов через следующие промежутки времени: 0-2 с, 5 с, 10 с, 30 с, 45 с, 60 с и далее через 2,5,10,15,20,25 и 30 минут. Указанная последовательность замеров соблюдалась также после разгрузки. Испытания проводились (рис.2.4) в специально изготовленных деревянных ящиках площадью 65x70 см и высотой 50 см. Для удобства измерений одна из стенок ящика выполнена разборной. При укладке в ящик сухой рыхлый снег просеивался через сито с размером ячеек 2,5x2,5 мм и послойно уплотнялся ручной трамбовкой до плотности 0,25; 0,35; 0,45; и 0,56 г/см5 (большей плотности при уплотнении сухого снега достичь не удалось). Снег одинаковой плотности приготавливался одновременно в двух ящиках , один из которых устанавливался в теплое помещение для увлажнения, а второй выдерживался при отрицательных температурах от -13 до -18С под продуваемым навесом. Перпендикулярность приложения нагрузки обеспечивалась специальными съемными упорами, закрепляемыми на стенках ящика. Перед каждым нагружением штамп устанавливался на недеформированный снег.
Расстояние от стенок ящика до места установки штампа и между двумя соседними установками составляло не менее 2,5 диаметров штампа, что исключало влияние краевых условий на показатели деформирования снега [2.3] . Для определения влияния дна ящика на осадку штампа проведена серия контрольных штамповых испытаний. При этом толщина сжимаемого слоя варьировалась от 12 мм до 280 мм, осадка фиксировалась через I минуту после приложения нагрузки.
Влияние статического давления,вынуждающей силы и частоты колебаний на эффективность уплотнения снега
Оказалось, что расчетные величины сцепления при плоском и вогнуто-плоском срезах практически не отличаются между собой. В то же время они приблизительно вдвое меньше значений сцепления, полученных при выпуклой форме среза. Так, для снега плотностью 0,16 г/см5 средние значения сцепления при плоском и выпуклом срезах составляли соответственно 1,3 и 2,9кПа, для плотности 0,24 г/см3 - 2,3 и 4,7 кПа, для плотности 0,31 г/см -5,6 и 9,3 кПа (диаметр рамки - 10 см). Поэтому в опытах по определению сцепления снега следует фиксировать и учитывать форму поверхности среза. Приведенные ниже данные получены по результатам измерений сцепления снега при плоской форме поверхности среза.
Проведенные опыты показали, что значения сцепления снега зависят от размеров сечения сдвиговой рамки, то-есть имеет место так называемый "масштабный" эффект. При увеличении площади среза от 30 см до 240-280 см величина сцепления уменьшается (рис.2.II). Такая закономерность наблюдалась на всех исследованных разновидностях снега плотностью от 0,09 г/см5 до 0,37 г/см3. При дальнейшем увеличении площади среза свыше 280 см величина сцепления оставалась практически неизменной. Для выявления влияния формы рамки проведена серия опытов по сдвигу снега цилиндрической и квадратной рамками сечением 285 см2 (табл.2).
Опыты показали, что значительных расхождений между средними величинами сцепления, определенными обоими способами, не получено. Однако вариация результатов при использовании квадратной рамки оказалась значительно выше. Это можно объяснить тем, что рамка квадратного сечения имеет меньшую жесткость, чем цилиндрическая. Другой вероятной, причиной может быть неодинаковый характер деформирования снега по периметру квадратной рамки (у углов рамки зачастую заметны были в снегу небольшие трещины или уплотненные зоны). Поскольку для получения результата с заданной точностью и надежностью количество опытов пропорционально квадрату коэффициента вариации [2.45,2.46] , то при использовании квадратной рамки число опытов должно быть в 2,0-3,5 раза больше, чем при цилиндрической.
Однако и цилиндрическая рамка при сдвиге её в снежном забое непосредственно рукой давала коэффициенты вариации до 26$, хотя вариации плотности исследуемого снега не превышала 7%. Основной причиной этого является неудобство работы в забое (особенно при низких температурах), что крайне затрудняет обеспечение параллельности прилагаемого вручную усилия плоскости среза, обеспечение плавности этого усилия и т.д. С целью повышения удобства работы и, следовательно, повышения точности измерений был разработан и изготовлен прибор, включающий обойму, подвижное основание с фиксаторами для крепления съемного поддона, лебедку с передаточным отношением 3,5 и динамометр с фиксатором отклонения стрелки (рис.2.12). Поддон Z -образной формы предназначен для извлечения предварительно внедренной в исследуемый снежный массив разрезной цилиндрической рамки, транспортирования её для установки на подвижном основании прибора и предотвращения просыпания снега из верхней рамки при её сдвиге относительно нижней обоймы. Для этого нижняя плоскость поддона имеет заостренную кромку, а верхняя расположена заподлицо с плоскостью разъема рамки и заканчивается рукояткой. Масса прибора - 9,0 кг. С помощью этого прибора определены значения сцепления и внутреннего трения для основных разновидностей снега, применяемого для возведения снежно-уплотненных дорог [3.31] . Вариация измеренных прибором величин сцепления составила при этом от 7,5% до 12,7%, величин коэффициента внутреннего трения от 6,9% до 11,3%. Прибор защищен авторским свидетельством № 579557 [б.б] и внедрен в практику снегомерных работ в НПО ВНИИСтройдормаш.
Полевые экспериментальные работы проведены с использованием стенда поверхностного уплотнения снега и натурного экспериментального образца термовибрационной снегоуплотняющей машины.
Экспериментальный стенд изготовлен в Красноярском филиале ВНИИСтройдормаш по технической документации, разработанной при участии ЦНИИМЭ. Стенд состоит из двух автономных агрегатов - фрезерно-теплового и виброуплотнительного. Виброуплотнитель (рис.2.15 предназначен для изучения закономерностей уплотнения снега, предварительно обработанного фрезерно-тепловым оборудованием, и имеет типичную для поверхностных уплотнителей конструкцию. В корпусе I сварной конструкции установлен двухвальный вибровозбудитель 2 с регулируемым эксцентриситетом дебалансов. Дебалансные валы вибровозбудителя через эластичные муфты соединены с цилиндрическим редуктором 3, привод которого осуществляется через клиноременную передачу со сменными шкивами от асинхронного электродвигателя A02-6I-4. Электродвигатель 4 установлен на металлической платформе 5, на которой закреплен также кузов б для балласта. Платформа опирается на четыре амортизирующие пружины, расположенные на направляющих стойках, жестко соединенных с корпусом I. К опорной поверхности корпуса приварены две параллельные направляющие 7 из уголка для предохранения плиты от бокового сползания при перемещении стенда по местности с поперечным уклоном. В конструкции стенда предусмотрено регулирование
Влияние угла наклона передней стенки и вибрации плиты на образование призмы волочения и тяговые сопротивления
На рис.З.Э показаны области устойчивых режимов , границы которых рассчитаны по зависимостям (3.45)-(3.47) при фиксированных значениях Тч-Ж/2 (рис.3.8, Q- ) и Ту=#/з (рис.3.8, 5" ) для п » I и п в 2. Наибольшая ширина области и, соответственно, максимальный запас устойчивости рабочего режима имеет место при п =1. С увеличением п области устойчивых режимов резко сужаются, поэтому в реальных условиях обеспечить такие режимы крайне затруднительно.
Фиксированные при расчетах значения Ту я/г и Ту я/s приблизительно соответствуют начальным и конечным стадиям уплотнения влажного снега виброплитой (рис,3,7, а ). Из рис.3.8 видно, что при одинаковых значениях Rv область устойчивых режимов по мере уплотнения снега несколько сужается. С другой стороны, величина Rv в процессе работы также изменяется (рис.3.7, 5" ), возрастая с увеличением плотности снега. Это приводит к расширению области устойчивых режимов. Таким образом, изменение свойств снега в процессе уплотнения оказывает двоякое действие на область устойчивых периодических режимов - сужает её за счет уменьшения Ту и расширяет за счет увеличения Rv . t/ На рис,3.9 J представлен совмещенный график, определяющий границы устойчивых одноударных режимов работы виброплиты при п = I для влажного снега. Отрезок (Х (ц соответствует диапазону значений р на начальных стадиях взаимодействия плиты с влажным снегом,отрезок йгог - на заключительных. Видно, что по мере уплотнения снега область устойчивых режимов в целом смещается вправо. Для обеспечения запаса устойчивости по отношению к изменению параметров снега в процессе его уплотнения минимальное значение р нужно ограничить точкой CLZ » а максимальной-точкой оу . Исходя из соображений обеспечения устойчивости величину р следует назначать в пределах 0,44s р 0,61 (рис.3.9 ).
При конструировании снегоуплотняющей машины в первую очередь необходимо выбрать частотные и силовые характеристики виброплиты - частоту колебаний, статическую нагрузку, амплитуду вынуждающей силы или статический момент дебалансов. В предыдущем параграфе определены зоны устойчивых периодических режимов работы виброплиты в зависимости от отношения её силовых параметров. Для количественной оценки влияния этих параметров, а также частоты колебаний на конечный результат уплотнения - плотность снега - следует проанализировать процесс нарастания остаточных объемных деформаций в снеге под воздействием виброплиты при различных значениях её характеристик Исходной информацией для такого анализа являются графики (рис.3.6), полученные по результатам решения уравнения (3.26), описывающего систему виброплита-снег. Соединив последовательно точки 0,04, Oz/--, vn , соответствующие положению уплотняемой поверхности в момент каждого очередного удара плиты , получаем аппроксимирующие кривые изменения осадки снега в процессе его виброуплотнения (пунктирная линия на рис. 3.6)» Последующеедифференцирование кривых осадки позволяет получить графики изменения во времени скорости уплотнения. Совокупность таких графиков, построенных для различных сочетаний параметров виброплиты, явилась основой для анализа процесса виброуплотнения снега с целью выявления его основных особенностей и закономерностей. При анализе параметры виброплиты варьировались в широком диапазоне (табл.7), превышающем аналогичные значения у известных снегоуплотняющих машин [3.14,3,27] .
Расчеты модели ("машинные эксперименты") проведены, в основном, для квадратной плиты площадью І мс и влажного снега плотностью 0,45 г/см5. Такая плотность снега достигается обычно в результате предварительной обработки снега фрезерно-тепловым оборудованием снегоуплотняющей машины [3.31] . Получены также диаграммы процесса для сухого снега плотностью 0,38-0,39 г/см и влажного снега плотностью 0,47-0,49 г/см3. Эти данные использованы при количественной оценке адекватности модели.
На рис. 3.ID и ЗЛІ: приведены аппроксимирующие кривые нарастания остаточных деформаций снега. Такие кривые построены по результатам машинного просчета модели, соответствующей виброуплотнению влажного снега при различных значениях статического давления, вынуждающей силы и массы виброплиты. При сочетании параметров плиты, обеспечивающих её работу в диапазоне устойчивых периодических режимов (кривые 2 и 3 на рис.3.ID и кривая I на рис.3.II), нарастание остаточных деформаций завершается, в основном , через 2,7-3,0 сек. Вне диапазона устойчивых колебаний плиты время достижения максимальной осадки увеличивается до 4,5-5,0 сек и более (кривые I и 4 на рис. 3.ID и кривые 2,3 на рис. З.ІЇ). В зависимости от сочетания параметров виброплиты начальная скорость уплотнения находилась в пределах от 90 мм/с до 210 мм/с. Затем скорость резко уменьшается и через 2,7-5,1 секунд составляет 3 мм/с и менее. Если последнее значение считать практическим завершением процесса уплотнения , то через 1,1-1,9 секунд снег приобретает в среднем 75% осадки, а через 1,8-3,0 секунд - 90% (табл.8). Из табл. 8 видно, что при р = 0,45-0,59 время достижения 75% осадки снега составляет в среднем 1,20 с, а 90% - 1,9 о. Указанные значения находятся в диапазоне устойчивых одноударных режимов работы виброплиты (рис.З.Я:)« Вне этого диапазона среднее время достижения 75% и 90% осадки оказалось равным соответственно 1,90 и 2,85 с.
