CC BY
20
УДК 690 0Я4
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДИНАМИЧЕСКОГО УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТОВ ВИБРАЦИОННЫМИ КАТКАМИ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ТРАНСПОРТНЫХ ОБЪЕКТОВ
С. В. Савельев
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия, г. Омск, Россия
Аннотация - Представленные в статье исследования посвяшены акту альнейшей проблеме - динамическому уплотнению грунтовых насыпей при строительстве линейных транспортных объектов. Приводится краткий обзор основной уплотняющей техники - дорожных катков, анализируются преимущества н недостатки различных их типов. Теоретические исследования, представленные в работе, позволяют оценить энергозффектнвность передачи впбраипп от виоровозбудптеля уплотняемой среде через деформируемый рабочий оргап катка. Получены новые паучпые знания, выраженные в виде зависимостей, описывающих влияние жесткости рабочих органов катков на интенсивность деформирования грунтов.
Впервые установлен рациональный диапазон жёсткости для пиевмошннных рабочих органов от 1000 до 5000 кН/м.Т*оретпческпе исследования были подтверждены посредством экспериментов, выполненных с использованием уникального опытного образца дорожного катка, способного изменять свою жёсткость в требуемом диапазоне. Анализ теоретических и экспериментальных исследовании проводился с использованием универсального критерия опенки энергоэффектнвности колебательны! процессов -добротности колебательной системы, который выявил существенный эффект при превышении жёсткости рабочих органов после значений в 5000 кН/м. Установлено, что использование новой конструкции катка позволяет снизить время процесса уплотнения, повысить его эффективность и качество. Результаты исследований открыли новое направление для разработки перспективной дорожной уплотняющей техники, позволяющей повысить >ффектнвность и производительность работ при строительстве транспортных объектов.
Ключевые слова: эффективность, автодороги, уплотнение, катки, жёсткость.
i. Введение
При строительстве любого объекта транспортной системы, н автомобильных дорог в частности особое внимание необходимо уделять операции по уплотпегаио техполоппеских слоев земляного полотна и доролаю го покрытия. Именно эта операция позволяет добнтъея требуемой прочности и устойчивости всего транспортного сооружения. Земляное полотно автомобильной дороги является одним из основных элементов транспортной системы, оно является основной несущей конструкцией не только для дорожных оснований н покрытий, ео и различных зданий и прочих инженерных объектов. Операция по уплотнению грунтов обеспечивает их работоспособность и долговечность, и если в процессе строительства грунтовые слои не приобретают требуемую плотность, то такая насыпь в процессе эксплуатации будет разрушаться. Это приведёт к возникновению убытков и опасных ситуаций. Можно вкладывать сколько угодно финансовых средств и применять самые совершенные технологии прн устройстве оснований и покрытий верхних слоев автодорог, но если уплотнение технологических слоев земляного полотна было проведено некачественно, вся дорожная конструкция прослужит недолго.
Основные строительные машины осуществляющие операцию уплотнения. - это дорожные катки различных типов. Основной проблемой зля таких машин является то. что существует большое разнообразие типов грунтов и для их эффективного уплотнения необходимо использовать различные конструктивные типы дорожных катков [1].
Наиболее простыми уплотняющими машинами являются статические гладковальцовые каткн. Их основное преимущество это простота конструкции. Недостаток - такие катки, обладают низкой производительностью.
Более эффективными являются кулачковые статические катки, которые эффективно прорабатывают глинистые грунты, способны частично изменять контактные напряжения за счёт изменяемой, глубины погружения кулачков. Несмотря па ото. производительность таких катков также недостаточно высокая и в некоторых слу чаях наблюдается неудовлетворительная ровность уплотнённой поверхности.
Наиболее -эффективчыми -те гтлтическ>-х катков яялятотгя катки на пневматических птина\ Эти машины способны достаточно широко изменять контактные давления за счёт регулирования плещади пятна контакта при изменении давления воздуха в шинах. Данные катки обладают значительными габаритно-массоЕыми характеристиками. но их производительность несколько ниже, чем у вибрационных катков.
Наиболее производительными катками являются вибрационные каткн [2]. За счёт использования вибрации они обладают высоким уплотняющим эффектом при меньших, по сравнению с пневмокатками. габаритно-массовых характеристиках. Основным недостатком вибрационных катков является недостаточный диапазон изменения контактных давлений, поэтому внброкаткн также используются совместно с катками других типоразмеров.
П. Постановка задачи
Для повышения эффективности строительства транспортных объектов необходимо обьеднннть в одном рабочем органе катка преимущества пневматических шин и вибрации [1 - 3]. Были проведены обширные теоре-1 и четкие исследования в.шлш1л лес 1 кос ш инев.мошинни! о рабочею орина на эффск!Ш!нос1Ь использования
вибрации и интенсивность деформировании уплотняемой среды. В качестве инструмента для исследовании нспользоватся программный продукт МаШи'огкъ МАТЪАВ с пакетом расширения хтя моделирования физических процессов 5ипМесЬашс5. В основу моделирования было положено математическое эпнсание двухмассо-вон колебательной системы «рабочий орган - уплотняемая среда» (рис. 1).
Eh
С onstant 3
_Р О
Constant 2
B ody Actuator
Шее
Prismatic I
J oim Sensor l
«
02
О
Tu Wujk»[J^LC
aunt
Prismatic
i
Groim<i
Joiir Actual or I
0 Constant
J u*U Actuator
sunout
JOL':t Sensor Scope
Machine Eavironmeat
Рис. 1. Моделирование колебательной системы «рабочий орган - уплотняемая среда»
Ш. Теория
В процессе исследований интенсивности деформирования уплотняемой среды под деформируемым рабочим органом катка рассматривалась не только жёсткость вальца, но н значения величины вынуждающей силы внб-ровезбудителя. а также частотный режим. Полученные зависимости (рас. 2. 3) дают наглядное представление о влиянии жёсткости рабочего органа катка н параметров вибрации на интенсивность деформирэвания средь:. При выборе параметров уплотняющей машины необходимо определять их рациональные или даже оптимальные значения, учитывая свойства уплотняемого материала.
Анализ результатов теоретических исследований показал, что жёсткости серийных шин. которая лежит в пределах от 500 кН м до 1000 кН м. для эффективного использования вибрации явно недостаточно. В данном диапазоне жёсткости большая часть энергии вибровозбудителя вхолостую тратится на деформацию шин [3]. Ьыло установлено, что при увеличении жёсткости пневмопшн до 5000 кН/м и выше эффективность использования вибрации существенно возрастает [3. 4]. а значит, возрастает и энергоэффективность процесса уплотнения фунгивых ииев зеюишш о полоша при ороыгельс тес аыидорох.
Дх
0.08
Ро-100кН: с,-1000 кН м
0.2 0.4 0:6 0.8
0.06
0.01
002
МО Ги
Р0=1О() кН: С1= IООО кН/'м
0.4 0.6 0.8 1
0.04
0.03
0.02
0.01
о"
Ро=50 кН; С1= 1 ООО кН'м
и.оо
0.04
0.112
£=40 Гц
и**"
М/'А^4
0.6 0.5
Ро=50 кН; с -1000 кН м
0.2 0.4 0.6 0.8
Рис. 2. Интенсивность деформирования грузовой среды с учётом значений вынуждающей силы и чаошы вибрирования при жёсхшсги рабочею органа С]=1 ОООкН м
Рис. 3. Интенсивность деформирования грунтовой среды с учётом значений вынуждающей силы и частоты вибрирования при жёсткости рабочего органа С|=5 ОООкН м
IV. Результаты экспериментов Теоретические исследования потребовали экспериментального подтверждения. Для этого был разработан и изготовлен экспериментальный образец вибрационного катка с пневмошинным рабочим органом, способный изменять жёсткость в диапазоне 500 - 6000 кН м (за счёт изменения давления воздуха в шинах и установки дополнительны?: металлических бандажей), удельные контактные напряжения - в диапазоне 0.045 - 0.125 МПа. В лабораторных н производственных условиях проводнлзсь серия экспериментов по уплотнению суглинистого и супесчаного грунтов оптимальной влажности [5] (рнс.4.5).
Рис 4. Испытания вибрационного пневмошинного катка при уплотнении суглинистого грунта
Рис 5 Испытания вибрацио иного пневмоптинного катка при уплотнении гуле сил иного грунта
Экспериментальные исследования полностью подтвердили теоретические выводы. Было выявлено существенное отличие рационального диапазона значении жёсткости пневмовальцов для связанных н несвязанных грунтовых сред. Рис. 6 иллюстрирует зависимости изменения коэффициента уплотнения (основной показатель качества про цесса уплотнения дорожно-строительных материалов) от количества проходов экспериментального катка при различной жёсткости рабочего органа [3,5].
0.85
1 234 56789 П
Рис. 6. Зависимости изменения коэффициента уплотнения от количества проходов экспериментального катка
Кесткос >Ке сткос Кесткос
ть ci=6000 кН/к ть ci=5000 кН/м ть ci=1300 kH/n
V. Обсуждение результатов Кс.лнчественным показателем, позволяющим оценить эффективность вибрацнснных процессов при наличии демпфирования. яв.ляется добротность колебательной системы (рис. 7). в нашем случае - характеризующая потери энергии в рабочем органе катка [4J.
Q=y¡M-cl¡bl,
где М - масса рабочего органа, кг: с, - жёсткость. Н/м. Ь, - коэффициент вязксго трения. Нс/м.
Q 4500
4 ООО
3500
3000
2500
2 ООО
1500
1000
500
0
0 1000000 200300С 3000000 4000000 5000000 Ci.KH/M 0 5С0 1 000 1 500 2000 bi.HM/:
Fnc. 7. Зависимость добротности колебательной системы эт жёсткости и коэффициента вязкого трения комбинированного рабочего органа катка
Полученные зависимости (рис. 7) показывают, что резкое увеличение добротности колебаний наблюдается при значениях жесткости рабочего органа от 5000 кН/м. при этом наблюдается существенное снижение коэффициента вязкого трения - менее 500 Ни/с. После достижения этих значении темп нарастания добротности снижается. Сделан вывод что дальнейшее улучшение демпфирующих показателей в меньшей степени будет влиять на снижение диссипации энергии внброколебаний в процессе виброугаютненпя. При значениях жёсткости рабочего органа свыше 6000 кН/м эффективность процесса уплотнения становится сопоставима с уплотнением сред машинами с металлическими рабочими органами, у которых практически отсутствует диссипация энергии на деформацию рабочего органа [б].
VL ВЫВОДЫ и ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенные исследования позволяют повысить эффективность строительства транспортных объектов, в первую очередь это относится к строительству автомобильных дорог. Результаты исследований открыли новое направление дтя разработки перспективной дорожной ушотняющен гехннки - вибрационных катков, регулирующих жёсткость рабочего органа в расширенном диапазоне. Работа проводилась в рамках государственного задания Минобрнаукн РФ по теме ((Развитие теории взаимодействия рабочих органов уплотнителей с деформируемыми средами. Разработка энергоэффектнвных конструкции дорожных катков».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Нао Wu. Qiankim Wang, Jiru Zhang. Qin С lieu. Xupeiig Wang. Location-Based Services to Control Roller Compaction Quality for Rock-Fill Dams 5th International Conference on Wireless Communications. Networking and Mobile Computing. IEEE Conference Publications. 2009. P. 1.
2. Jun Li: Yan Li. Zliili Zhou.Fengkui Qii Studv on continuous detection of vibro-roller compactness International Conference on Mechatromcs and Automation. EEEE Conference Publications. 2OOP. P. 2637.
3. Sergey Savel'ev, Vitaliy Mikheev Simulation of the vibrator/ soil compaction under the action of periodically changing elliptic external farce // Advanced Materials Research-GB. LondonCRCpress. Taylor & Fransis Group. 2015. P. 155.
4. Савельев С. В.. Пермяков В. Б.. Мещеряков Б. А.. Лашко А. Г. Исследования реологических параметров адаптивного рабочего оборудования дорожного катка .■■/ Строительные и дорожные машины. 2011. № 12. С. 5153.
5. Савельев С. В. Анализ эффективности применения адаптивных катков при уплотнении груша И Вестник СинАДИ. 2013. № 2 (30). С 47-51.
6. Sergey Savel'ev, Vladislav Permyakov. Vitaliy Mikheev. Using the Defornmtional Properties of Tires in Vibrational Systems И Russian Engineering Research. 2015. Vol. 35. no. 2. P. 102.
