Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования . 8
1.1 Вибрационные катки и практика их использования в дорожном строительстве. 8
1.2 Исследования процесса деформирования асфальтобетонных смесей . 19
Вывод и программа проведения исследований 45
2. Теоретические исследования процесса уплотнения асфальтобетонной смеси на основе принципов теории ползучести . 47
2.1 Исследование процесса ползучести асфальтобетонной смеси. 47
2.2 Разработка математической модели и ее реализация на ЭВМ . 66
Выводы и результаты аналитического исследования математической модели. 85
3. Экспериментальные исследования процесса уплотнения асфальтобетонной смеси. 86
3.1 Цель и задачи экспериментальных исследований. Методика проведения исследований. 86
3.2 Результаты экспериментальных исследований процесса уплотнения асфальтобетонной смеси . 98
Выводы. 116
4. Методика выбора рациональных технологических параметров вибрационных катков . 175
4.1 Инженерная методика расчета рациональных технологических параметров вибрационных катков. 117
127
4.2 Программный комплекс "ROAD" для выбора режимов работы дорожных катков .
4.3 Указатель режима работы дорожного катка УРР-4. 139
4.4 Проверка работоспособности программного комплекса в условиях эксплуатации. 147
Выводы. 158
Основные выводы по диссертации. 159
Список использованной литературы
- Исследования процесса деформирования асфальтобетонных смесей
- Разработка математической модели и ее реализация на ЭВМ
- Результаты экспериментальных исследований процесса уплотнения асфальтобетонной смеси
- Программный комплекс "ROAD" для выбора режимов работы дорожных катков
Введение к работе
Актуальность работы. Обеспечение необходимой степени уплотнения материалов является одним из основных требований технологического процесса при строительстве автомобильных дорог, поскольку это в значительной степени определяет их прочность и срок службы.
Качество работ уплотняющей техники и производительность зависит от выполнения комплекса мероприятий, предусматривающих учет строительных свойств уплотняемого материала, требований к качеству уплотнения, технологию производства работ по устройству дорожного покрытия, а на их основе обоснованный выбор средств уплотнения и технологических режимов производства работ.
В дорожном строительстве большое распространение получили вибрационные катки. Однако, их эффективное применение существенно зависит от правильно выбранных и четко назначенных технологических параметров.
Полученная математическая модель процесса уплотнения асфальтобетонных смесей вибрационными катками и построенная на ее основе методика расчета рациональных технологических параметров вибрационных катков позволяет определить рациональный режим работы для конкретных условий эксплуатации без проведения пробной укатки. Реализация этой методики на практике позволяет существенно снизить сроки и повысить качество выполняемых работ.
Цель работы. Повышение производительности и эффективности работы вибрационных катков путем определения рациональных режимов работы на этапе эксплуатации.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
- разработана математическая модель процесса деформирования слоя асфальтобетонной смеси с учетом изменяющихся во времени характеристик уплотняемого материала;
- выполнен анализ математической модели и экспериментально определены коэффициенты температурного сдвига и коэффициенты подобия;
- разработана инженерная методика определения рациональных режимов работы вибрационных катков;
- проведена экспериментальная проверка инженерной методики в реальных условиях эксплуатации при строительстве участка автодороги.
Научная новизна. На защиту выносятся следующие наиболее существенные результаты, определяющие научную новизну:
• предложено аналитическое описание процесса уплотнения асфальтобетонной смеси на основе принципа накопления деформации теории ползучести;
• выявлено, процесс уплотнения асфальтобетонной смеси можно условно разделить на две области - при температуре материала свыше 100°С и ниже 100°С. При этом процесс деформирования асфальтобетонной смеси при температурах свыше 100°С можно описать линейными математическими зависимостями, а при более низких температурах в существенной мере проявляются не линейные свойства. А применение аппарата теории ползучести позволяет описать эти два процесса с использованием одних и тех же характеристик асфальтобетонной смеси;
• изучено влияние мгновенного режима нагружения, и нагружения протяженного во времени на изменение основных характеристик асфальтобетонной смеси (Е, є) с учетом температурного фактора. Получека обобщенная аналитическая зависимость, учитывающая изменение модуля упругости в зависимости от исходного коэффициента уплотнения;
• получены значения коэффициентов подобия и температурного сдвига позволяющие использовать единую математическую зависимость при определении деформ-" ий.в слоз асфальтобетонной смеси;
• создана математическая модель процесса уплотнения асфальтобетонной смеси вибрационными кпками ча основе принцичоз теории ползучести материалов.
Практическая ценность работы
По результатам диссертационной работы и при непосредсвенном участии Ф автора разработан программный комплекс по выбору рациональных режимов работы вибрационных катков на стадии эксплуатации. Эффективность применения данного комплекса подтверждается проверкой на объектах строительства автодорог, проводимых Российско-британской компанией «Ярдор-Тармак». При этом время цикла уплотнения может быть сокращено до 15% при соответствую-щем качестве уплотнения.
Кроме того, разработанный программный комплекс позволяет осуществлять подбор парка катков при выполнении конкретных видов работ.
Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается: анализом полученной математической модели, позволяющим сделать вывод об адекватном отражении процесса деформирования слоя асфальтобетонной смеси при различных условиях уплотнения; качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данны- • ми; результатами полевых испытаний и внедрением в производство.
Реализация работы. Разработанная инженерная методика и основные результаты работы реализованы в программном комплексе ROAD для выбора рациональных технологических параметров дорожных катков и указателе режима работы УРР-4, переданных Рыбинскому заводу дорожных машин «Раскат» для модернизации существующих дорожных катков, и совместному Российско-Английскому предприятию "Ярдор-ТАРМАК" для определения технологических параметров катков в конкретных условиях эксплуатации.
Результаты диссертационной работы использованы также в учебном процессе Ярославского государственного технического университета:
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Содержит 172 страницы машинописного текста, 76 страниц иллюстраций и таблиц, список литературы из 104 названий на 10 стр.
Публикации. Основное содержание работы отражено в 9 работах. Апробация работы.
# Основные положения и результаты выполненных исследований докладывались на республиканской научно-технической конференции в Санкт Петербурге (1995), международной конференции "Развитие строительных машин, механизации, автоматизации строительства и открытых горных работ" (Москва 1996), Межвузовской региональной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов (Ярославль, 1997), XIX научно-методической конференции Ярославского государственного технического университета (Ярославль, 1998), на семинарах кафедры "Строительные и дорожные машины" Ярославского государственного технического университета, а также в научно- исследовательских работах, выполняемых по госбюджетной программе "Создание комплексной системы качественного уплотнения дорожно-строительных материалов" (1995-1997гг.) и "Математическое моделирование совмещенных процессов в химических технологиях; разработка автоматизированной системы • управления в процессах деформирования и разрушения" (1998-2000гг.).
Исследования процесса деформирования асфальтобетонных смесей
Влияние частоты на уплотняющую способность катков выяснял С.А.Варганов. В результате проведенных им опытов с асфальтобетонной смесью установлено, что наилучший эффект уплотнения получается при частоте 50-60 Гц.
Возмущающая сила вибровальца также оказывает влияние на его уплотняющую способность. Как показал С.А.Варганов, наилучшее уплотнение асфальтобетонной смеси получается при соотношении возмущающей силы и веса катка равным шести. Совместное исследование технологических параметров статистических и виб рационных катков позволило получить Ю.Я.Коваленко /52/ зависимость: о = Кэ аст, К = f(o,p/q,hCJ1) . Зависимость показывает, что по эффекту уплотнения вибрационный каток эквивалентен катку статического типа, но с большей массой. Это дает основание использовать для исследований схему уплотнения статическим катком. А.Г.Маслов в работе /70/ предложил для уплотнения асфальтобетонной смеси конструкцию двух массного вибрационного рабочего органа, который позволяет подвергнуть асфальтобетонную смесь поличастотному вибрационному воздейст вию, способствующему эффективной проработке и уплотнению.
Работа вибрационных катков при уплотнении асфальтобетонных покрытий является более сложной, чем та же задача при уплотнении грунтовых оснований. Это обусловлено тем, что при укатке дорожных покрытий следует выбрать дорож-ный каток и его режим работы таким образом, чтобы не происходило разрушения слоя асфальтобетонного покрытия в начале процесса уплотнения, а заданная плотность была бы достигнута по всей толщине уплотняемого слоя до его остывания. Кроме того, при выборе режимов работы необходимо правильно определить температурный диапазон уплотнения, так как влияние температуры на эффект уплотнения существенно. Таким образом, кроме перечисленных технологических параметров возникает необходимость определения температурного режима асфальтобетонной смеси в момент ее укладки и во время производства работ. Исследованиями температурного диапазона укатки асфальтобетонных смесей дорожными катками занимались Н.Я.Хархута /71/, М.П.Костельов, Т.Н.Сергеева, Л.М.Посадский /27, 72/, С.Н.Иванченко /73/, В.В.Дубков /74/.
В начале процесса уплотнения температура смеси достигает 130...150С, а предел прочности смеси имеет небольшую величину 0,2...0,7 МПа /69/. Для определения температурного диапазона укатки асфальтобетонных смесей с учетом ее остывания предлагались различные зависимости /75/. Некоторые из них сведены в таблицу 1.3. С.Н.Иванченко в работе /73/ предложил графический способ определения рационального технологического диапазона уплотнения асфальтобетонной смеси самоходными катками. Ему удалось проследить функциональную взаимосвязь между конструктивными параметрами катков q/R, и температурой уплотнения смеси. 2 Т- СТі Е R Полученный теоретическим путем график взаимосвязи конструктивных (q/R) параметров процесса уплотнения позволяет определять Е и технологических рациональные температурные диапазоны их использования.
Работы, выполненные под руководством Н.Я.Хархуты, охватывают практически все вопросы, связанные с выбором технологических параметров вибрационных катков, как впрочем, и других уплотняющих машин. В настоящее время они наиболее широко используются специалистами. Но следует учитывать, что часто их практическое использование сдерживается из-за того, что многие данные приводятся в неудобной для применения табличной или графической форме, а также не определены для широкого спектра исходных ситуаций, встречающихся в строительстве.
Это обусловлено появлением ряда новых работ /15, 52, 77, 78, 79/ в которых предпринимаются попытки иными путями решить вопрос определения рациональных параметров вибрационных катков. Так, в работах С.Н.Иванченко /15/, Ю.Я.Коваленко /52/, С.В.Носова /77, 78/, И.П.Петрова /79/ приводятся различные методики определения оптимальных параметров дорожных катков. В.П.Ложечко, И.П.Петров обосновали выбор оптимальных режимов работы статических катков /58, 79/. Результаты расчетов И.П.Петров показаны на рис. 1.12 и 1.13.
Как видно из графиков, за первые 8 проходов катка ДУ-47А коэффициент уплотнения возрастает до 0,951. При дальнейшем увеличении количества проходов этого катка значения коэффициента уплотнения не изменяются. Поэтому после 8 проходов катка ДУ-47А необходимо использовать более тяжелый каток ДУ-48Б. После 8 проходов этого катка коэффициент уплотнения возрастает до 0.969, а затем практически не изменяется (рис 1.13). На завершающей стадии укатки асфальтобетона следует уплотнять тяжелым катком ДУ-49А, с помощью которого коэффициент уплотнения за 10 проходов возрастает до 0.987. Таким образом, суммарное, расчетное количество проходов катков ДУ-47А, ДУ-48Б и ДУ-49А составляет 26. При существующей технологии применения этих катков, суммарное количество проходов равно 30.
Разработка математической модели и ее реализация на ЭВМ
Уплотнение асфальтобетонных смесей является важной и ответственной операцией технологического процесса строительства автомобильных дорог. Наиболее эффективными уплотняющими машинами для дорожных покрытий являются вибрационные катки.
При разработке математической модели исходили из того, что уплотнение -это, прежде всего процесс деформирования асфальтобетонной смеси, и значения действующих напряжений являются определяющими. А вот характер протекания процесса уплотнения вибрационными катками определяется интенсивностью вибрационных нагрузок, вызывающих необратимые деформирование слоя асфальтобетонной смеси. В разделе 1.2 (табл. 1.2) были приведены некоторые формулы для определения максимальных контактных напряжений. Основополагающим является соотношение /44/: а0 ар , где О"о - напряжение, возникающее в месте контакта рабочего органа с уплотняемой поверхностью; Ср - предел прочности грунта. В то же время величина OQ не должна быть слишком низкой, оптимальным является соотношение: G0 0,9cjp .
Для определения зависимостей между параметрами напряженно-деформированного состояния уплотняемого слоя асфальтобетона и параметрами рабочего органа катка используются основные положения теории ползучести со следующими допущениями: 1. Используется схема взаимодействия жесткого круглого штампа с полупространством или со слоем конечной толщины, лежащим на жестком основании. 2. Уплотняемый слой рассматривается как материал с вязкоупругопластически ми свойствами. 3. Нижние слои дорожной одежды считаются полностью уплотненными и заме няются одним слоем с эквивалентными значениями модуля деформации и коэффи циента Пуассона. 4. Температура асфальтобетонной смеси в пределах одного прохода катка оста ется постоянной. 5. Масса слоя асфальтобетонной смеси не учитывается. Весь процесс расчета можно условно разделить на три этапа (рис.2.9.): На первом этапе необходимо определить и установить параметры уплот няемого материала. Причем свойствами и характеристиками, определяющими спс собность асфальтобетонной смеси деформироваться являются: предел прочности асфальтобетонных смесей, [а]; модуль деформации асфальтобетонных смесей, Е; текущая температура асфальтобетонных смесей в процессе укладки и уплотне ния, Табс; исходная плотность материала, Купл; гранулометрический состав (марка асфальтобетонной смеси). На втором этапе необходимо определить и выбрать тип уплотняющей МІ шины, сделать предварительный анализ поставленной задачи с целью определена типа и параметров уплотняющей техники. Технологическими параметрами вибрационных катков являются: линейное давление, q; частотные и амплитудные характеристики (со, ю0, А), т.е. вибрационное воздеі ствие на слой уплотняемого материала; масса дорожного катка, М; диапазон изменения скорости движении катка, Удв; размеры рабочего органа: ширина В и диаметр D вибровальца.
На третьем этапе необходимо определить параметры воздействия на уплотняемый слой асфальтобетонных смесей с учетом типа уплотняющей машины, свойств уплотняемого материала и закономерностей, протекающих в слое асфальтобетонной смеси при ее деформировании, описанных в разделе 2.1.
Именно этот этап представляется наиболее важным, ибо от верно выбранного режима работы дорожного катка зависит качество уплотнения. Здесь необходимо получить конкретные значения вибрационного и скоростного режима работы, а также конечное число проходов по одному следу для достижения требуемой плотности материала. В него также входит задача определения таких параметров, как деформации на поверхности и возникающие напряжения.
Параметры первого и второго блоков подробно освещались в обзорной главе и могут быть определены на основании уже имеющихся исследований и разработок других авторов.
Для определения зависимостей между параметрами напряженно-деформированного состояния уплотняемого слоя асфальтобетона и параметрами рабочего органа катка будем использовать основные положения теории ползучести, подробно рассмотренные в разделе 2.1.
Известно, что поведение асфальтобетонной смеси во время, уплотнения во многом определяется ее температурой. Для асфальтобетонных смесей прослеживается тенденция, при которой можно определить две области уплотнения - до 100С и выше 100С. При этом, можно отметить, что при температуре выше 100С (Т 100С) кривые ползучести практически для любой асфальтобетонной смеси не большой толщины (до 50 мм) укладываются в узкий пучок кривых, и наоборот значения ползучести асфальтобетонной смеси при температуре ниже 100С (Т 100С) имеют разные величины.
Результаты экспериментальных исследований процесса уплотнения асфальтобетонной смеси
Проверка достоверности результатов, полученных на основе проведенного # эксперимента, осуществлялась путем сравнения их с теоретическими данными и ранее известными исследованиями /30, 43, 47/. Эксперимент показал хорошую сходимость результатов.
Для определения свойств ползучести асфальтобетонной смеси, характерных для условий начала уплотнения, исследования проводились в диапазоне температур от 80С до 130С при коэффициенте уплотнения от 0,8 до 0,9. Как отмечалось ранее данные свойств и характеристик асфальтобетонной смеси для иных диапазонов исследовались другими авторами /30, 41, 42, 43/.
Так как до настоящего времени теория ползучести практически не применялась для описания процесса уплотнения асфальтобетонной смеси, то на начальном этапе вопрос об определении характера ползучести является очень важным. Установлено (рис. 2.14, 2.15, 2.16, 2.17), что во времени скорость ползучести уменьшается и через некоторый промежуток времени становится нулевой или конечной величиной. Это говорит о том, что при уплотнении асфальтобетонной смеси имеет место ограниченная ползучесть. Возможно, также, что на более плотном асфальтобетоне и при большом уровне напряжений скорость ползучести после убывания начнет возрастать, и будет наблюдаться установившийся характер ползучести.
На рис.3.13 показаны кривые деформирования асфальтобетонной смеси для различных начальных условий. На основании этих графиков, а также известных теоретических исследований /59/, можно говорить о том, что при нагружении асфальтобетонная смесь обладает свойством ползучести, а значит, применимы законы теории ползучести. Анализируя характер ползучести асфальтобетонной смеси при тех или иных условиях можно сделать следующие выводы:
Условие подобия, позволяет любую из кривых совместить с другой, уменьшив ее ординату на некоторое число VJ/, зависящее от контактных напряжений и называемое коэффициентом подобия. Следует отметить, что величина контактных напряжений на поверхности асфальтобетонной смеси является определяющей.
Определение коэффициентов подобия производилось по данным работы /59/ и самостоятельно проведенному эксперименту (рис.3.13). За базовую кривую принималась экспериментальная кривая, полученная при ст=1 МПа.
В работе /59/ исследовалась асфальтобетонная смесь в диапазоне температур 60С-100С с коэффициентом уплотнения Ку=0,85. В самостоятельно проведенном эксперименте были расширены границы температурного диапазона до 120С и коэффициента уплотнения от 0,75 до 0,85. Это позволило определить новые коэффициенты подобия для большего спектра возможных начальных условий процесса уплотнения, а также сравнить их с уже известными. Эксперимент показал хорошую сходимость результатов и позволил сделать вывод о том, что начальная плотность асфальтобетонных смесей (в пределах Ку=0,75-0,85) незначительно влияет на процесс деформирования асфальтобетонных смесей.
Обобщенные данные по коэффициентам подобия с учетом проведенного эксперимента представлены в табл.3.6
Эффективность воздействия вибрационных катков на уплотняемую среду зависит и от свойств уплотняемого материала и от параметров самих этих машин. Одним из таких параметров является режим (скорость) нагружения. Для определения влияния режимов нагружения на деформацию асфальтобетона параллельно проводилось два опыта. В первом случае нагружение осуществлялось мгновенно, во втором - медленно. В разделе 2.1 рассматривался процесс ползучести при мгновенном нагруже-нии. Однако такой процесс трудно осуществим на практике, и в реальных условиях для нагружения материала до заданного уровня стк, или єп всегда затрачивается некоторое время tk. На рис.3.15 приведены экспериментальные кривые ползучести при одном и том же уровне напряжений, достигнутых за различные промежутки времени с различными постоянными скоростями. Опыт показывает, что - кривые ползучести в этом случае не совпадают ни при каких Т с кривыми ползучести при том же о, достигнутыми за разное время; - чем больше скорость нагружения образца для достижения одного и того же уровня напряжений, тем выше располагается кривая ползучести, т.е. тем больше полная деформация; - пластические или необратимые деформации развиваются тем меньше, чем меньше скорость нагружения.
При проведении опытов производилась также мгновенная разгрузка. Следует отметить, что при заданных начальных условиях (в пределах проведения эксперимента) не наблюдалось кривой обратной ползучести или кривой обратного последействия.
Программный комплекс "ROAD" для выбора режимов работы дорожных катков
Кроме этого, программный комплекс предложит рассчитать заново или выбрать из уже определенных вариантов наиболее предпочтительный (рациональный). В выводимом на экран (рис.4.9) окне будет содержаться информация не только по общему количеству проходов, но и указан скоростной режим работы катка и частот-ный режим работы вибровальцев на различных этапах уплотнения.
Исходя из конкретных потребностей и условий использования программного комплекса, "ROAD" может полученные расчеты вывести в виде сменного задания машинисту катка на экран монитора с последующей распечаткой на принтере. На рис.4.10 представлена распечатка задания для машиниста на выполнение работ.
Здесь печатается рассчитанное программой число проходов по одному следу, кото рое обеспечивает требуемую плотность материала по всей толщине слоя, а также суммарное время на выполнение работы. Кроме того, в задании распечатывается ре жим работы, где задается скорость катка и частота колебаний вибровальца на всех проходах. Блоки "Расчет параметров воздействия рабочего органа на уплотняемый мате риал" и "Определение технологических параметров работы вибрационных катков" , выполнены в виде подпрограмм, объединенных общей расчетной частью. Для рабо ты с ними оператору не потребуется вводить никакой дополнительной информации, ш весь расчет будет производиться автоматически, а в случае ошибки, по причине не корректного ввода исходных параметров, сообщит об этом и вернется в начало программы.
На заключительном этапе оператору предлагается рациональный технологический режим работы вибрационных катков. Далее можно либо повторить расчет с другими исходными данными, либо вывести полученный режим работы на печать в виде распечатки задания для машиниста. а) вычислить требуемое число проходов виброкатка для достижения задан ной плотности; б) дает рекомендации по выбору скорости катка на каждом проходе; в) определить суммарное время работы катка для уплотнения заданного участ ка; г) рассчитать производительность катка и объем уплотненного грунта и ас фальтобетона; д) при необходимости распечатать сменное задание для машиниста катка с указанием рационального и, так называемого, предпочтительного режима работы.
Кроме того, программный комплекс фиксирует и рекомендует температурный режим асфальтобетонной смеси при ее транспортировке от АБЗ до места ее укладки и во время производства работ.
Следует отметить, что программный комплекс "ROAD" сам по себе не способен обеспечить качественное выполнение работ. Он лишь дает рекомендации по рациональному режиму работы катка, а будет ли выполняться этот режим, полностью зависит от добросовестности машиниста катка. Устранить произвол машиниста может лишь автоматизированная система управления катком, которая будет блокировать все неправомерные действия машиниста.
В связи с этим наряду с работами по автоматизации катка следует разработать прибор, который фиксировал бы все отклонения в работе катка от рационального режима. Это позволило бы контролировать работу машиниста, а, следовательно, и качество уплотнения дорожно-строительных материалов.
Таким образом, разработанная методика определения рационального режима работы вибрационных катков позволяет повысить их эффективность и достигнуть качественного уплотнения дорожно-строительных материалов. Эта методика реализована в виде программного комплекса "ROAD". Программный комплекс дает полную информацию о режиме работы катка, обеспечивающем качественное выполнение работ, вплоть до распечатки сменного задания машинисту катка.
В последнее время иностранными фирмами интенсивно развиваются приборы оперативного контроля за процессами уплотнения, основанные на замере параметров вибрации уплотняющей машины. Такие устройства разработаны фирмами Dynapac (Швеция), Bomag (Германия), Vibromax (Германия), Richier (Франция), Voest-Alpine (Австрия) /97/.
Действие приборов основано на изменении несущей способности грунта после каждого прохода катка. Прибор включает акселерометр, укрепленный на вибровальце, процессор и индикатор - на щитке управления на рабочем столе машиниста. Акселерометр непрерывно фиксирует ускорения, возникающие при работе вальца поверхности грунта. По мере того как грунт становится более плотным и прочным, сигналы от акселерометра меняются. Для определения соответствия относительной несущей способности и степени уплотнения грунта перед началом работы производится тарировка прибора. Для этого выполняется пробная укатка с фиксацией плотности и показаний прибора после каждого прохода катка.
Испытания прибора показали, что на любых материалах при изменении влажности показания прибора надо корректировать. Кроме того, для получения правильных результатов необходимо строго выдерживать частоту колебаний вибратора и скорость движения катка при каждом проходе. Также на показания прибора влияет плотность подстилающего слоя.
Одновоеменно с прибором конца укатки фирмой Bomag был разработан прибор для регистрации времени работы и количества проходов катка.
Наряду с системами контроля рядом фирм делаются попытки создания устройств, управляющих процессом уплотнения и режимом работы катка. Автоматизация вибрационных катков на базе использования микропроцессоров обеспечивает автоматический перевод машины на необходимый режим работы и облегчает работу оператора.
