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 технологической операцией, поскольку она вцелом 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 ведет к многочисленным повреждениям и деформациям, а следовательно к непродуктивным затратам людских, материальных и энергетических ресурса. Вместе с этим уплотнение является сравнительно недорогим процессом. Так 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 (вязко-пластических) деформаций. Интенсивность их течения оказывает влияние на производительность уплотняющих средств и качество выполняемых работ.
Актуальность работы. В существующем парке уплотняющих средств наибольшее применение получили вибрационные катки. Перспективным направлением в этой группе машин являются вибрационные катки, оснащенные асимметричным планетарным вибровозбудителем (АПВ), который позволяет получать более высокие значения вынуждающей силы по сравнению с центробежным вибратором (при одной и той же массе) и регулировать ее значение в процессе уплотнения материалов.
Таким образом, несмотря на существенную работу, проведенную в области виброуплотнения, вопросы дальнейшего совершенствования конструкций вибровозбудителей и определение их рациональных параметров работы являются актуальными, поскольку они связаны с созданием надежной сети автомобильных дорог, обеспечивающей безопасное и комфортное движение автотранспорта.
Это определило тему данной диссертационной работы, характер и структуру теоретических и экспериментальных исследований.
Методика исследований представляет собой комплекс эмпирических и аналитических методов исследования. Решение поставленных задач базируется на экспериментальных и известных положениях механики, теории колебаний, методах математического моделирования и статистики, методах обработки результатов исследований с помощью ЭВМ.
Научная новизна диссертации определяется:
— разработке классификации АПВ;
— математической моделью 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;
— методикой аналитического определения граничных условий проскальзывания инерционного бегунка АПВ;
Практическая полезность полученных в диссертации научных результатов определяется:
— рациональной конструкцией АПВ для использования уплотнения дорожно-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 вибрационного катка, оборудованного 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 пат. РФ на полезную модель № 53 300 была применена при ремонте а/дороги «Крутиха-Пакрушиха-Хабары-Славгород» в 2008 году и мостового перехода через р. Чистюнька на км. 74+645 а/дороги «Троицкое-Целинное» в 2007 году. Планетарным вибровозбудителем с эллиптической беговой дорожкой был дооборудован валец навесного на тракторе МТЗ-80 катка и валец ручного дорожного катка массой 120 кг. Основные положения используются в курсовом и дипломном проектировании по специальности 270 113 (291 300) «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 частоты 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, основных выводов, списка использованной литературы, состоящего из 112 наименований, 3-х приложений. Общий объём работы составляет 195 е., в том числе основной текст 164 е., 112 рисунков и 18 таблиц.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ. ЗАДАЧИ ДАЛЬНЕЙШИХ.
ИССЛЕДОВАНИЙ.
Проведенные экспериментально-теоретические исследования позволяют сформулировать следующие выводы и рекомендации:
1. Результаты аналитических и экспериментальных исследований показали, что установка асимметричных планетарных вибровозбудителей (АПВ) на виброкатках позволяет повысить эффективность уплотнения дорожно-строительных материалов, вследствие увеличения в 1,5 — 2,0 раза генерируемую направленную вынуждающую силу (при неизменных габаритах и массе вибровозбудителя), по сравнению с аналогичным вибровозбудителем, оборудованным круглой беговой дорожкой.
2. Разработана классификация асимметричных планетарных вибровозбудителей.
3. Установлено, что величина вынуждающей силы зависит от эксцентриситета беговой дорожки, массы инерционного бегунка и угловой скорости вращения водила. Её максимальное значение достигается при установке оси вращения водила в одном из фокусов беговой дорожки, в этом случае вынуждающая сила в 2,2 — 2,4 раза больше, нежели при центральном расположении оси водила. При этом величина эксцентриситета беговой дорожки не должна превышать 0,35−0,45.
4. Установка оси фокусов вертикально позволяет регулировать направление вынуждающей силы. Наибольший эффект уплотнения дорожно-строительных материалов достигается при установке оси водила в левом фокусе беговой дорожки. В этом случае, максимальное значение вынуждающей силы ориентировано в сторону уплотняемой среды, в правом фокусе — в противоположную сторону. Регулирование направлением вынуждающей силы достигается изменением угла установки оси фокусов.
5. Увеличение эксцентриситета беговой дорожки, массы инерционного бегунка и угловой скорости вращения водила вызывает рост вынуждающей силы, в первом и втором случаях пропорционально, во втором — в геометрической прогрессии.
6. Получены регрессионные уравнения для определения вынуждающей силы в зависимости от эксцентриситета беговой дорожки, массы инерционного бегунка и угловой скорости вращения водила.
7. Разработана математическая модель АПВ с эллиптической беговой дорожкой, адекватно описывающая зависимость вынуждающей силы от конструктивных и режимных параметров АПВ и места установки оси вращения водила.
8. Разработан метод расчета критических углов проскальзывания инерционного бегунка по поверхности эллиптической беговой дорожки, позволяющий рациональным образом осуществить выбор конструктивных параметров эллиптического планетарного вибровозбудителя и места установки оси вращения водила.
9. Разработана рациональная конструктивная схема АПВ с эллиптической беговой дорожкой.
10.Отклонение значений параметров АПВ, определенных аналитическим путем, и экспериментальных составляет 8,64—18,22%. Наибольшие отклонения результатов наблюдаются в интервалах 60° < ср < 100° и 250° < ф < 300° угла поворота водила относительно оси симметрии вибровозбудителя.
11 .Разработаны перспективные конструкции (патент РФ № 53 300, патент РК № 16 693, патент РК № 18 131), которые позволяют не только резко повысить производительность, снизить энергои металлоемкость процесса уплотнения, но и дает возможность произвести дальнейшее совершенствование процесса устройства асфальтобетонных покрытий дорожным комплексом.
12. При установке асимметричного планетарного вибровозбудителя на дорожный каток массой 8 т полученный годовой экономический эффект составляет 184 000 рублей на одну машину.
Задачами дальнейших исследований являются: теоретическая и экспериментальная оценка эффективности вибровозбудителей с некруглой беговой дорожкой (овальной, эллиптической, овоидной и т. п. формы) — совершенствование конструкции водила асимметричного планетарного вибровозбудителяразработка мероприятий по дальнейшему совершенствованию конструкций асимметричных планетарных вибровозбудителей, направленных на увеличение вынуждающей силы, КПД и надёжности, снижение динамической на-груженности приводаразработка рациональных конструкций вибрационных катков с асимметричными планетарными вибровозбудителямиоценка влияния асимметричных планетарных вибровозбудителей на эргономические характеристики вибрационных катков.
