Инновационные решения интенсификации процессов строительства дорожно - транспортной инфраструктуры

УДК 629.084

ИННОВАЦИОННЫЕ РЕШЕНИЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ СТРОИТЕЛЬСТВА ДОРОЖНО-ТРАНСПОРТНОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ

С. В. Савельев, А. Г. Лашко

Аннотация. Данный доклад посвящен актуальной на сегодняшний день проблеме - повышению интенсивности уплотнения строительно-дорожных материалов при возведении автомобильных дорог и прочих инженерных сооружений. Именно от качества уплотнения материалов зависит работоспособность и долговечность различных инженерных сооружений. Рассматриваются возможности применения перспективной уплотняющей техники, приводятся исследования по свойствам рабочих органов таких машин и даются рекомендации по выбору рациональных режимов уплотнения грунтов земляного полотна.

Ключевые слова: уплотнение, интенсификация, вибрация, реология, исследования энергоэффективность, адаптация.

Введение

Уплотнение дорожно-строительных материалов, в частности грунтов земляного полотна, является основным и наиболее дешёвым методом придания им прочности и устойчивости, что непосредственно влияет на качество, долговечность и работоспособность всей конструкции автомобильной дороги. Наиболее распространённой уплотняющей техникой являются дорожные катки с различными рабочими органами.

Описание задачи

Интенсификация процесса деформирования уплотняемого материала является актуальной задачей и может достигаться внедрением перспективных конструкций уплотняющих машин и правильным выбором режимов их работы.

Метод решения

Наиболее эффективными с точки зрения интенсификации процесса уплотнения являются вибрационные катки, но и такие машины не используют до конца весь свой потенциал, поскольку имеют значительные ограничения по регулировке рациональных режимов работы.

Одним из вариантов решения вышеуказанной задачи видится повышение адаптационных возможностей рабочих органов виброкатков, под свойства уплотняемого материала. В частности авторы предлагают решения по дополнительным возможностям регулирования реологических свойств рабочего органа [1].

В предыдущих публикациях описывались возможность эффективного применения катков с вибрационным гидрошинным рабочим органом для эффективного уплотнения грунтов, приводились теоретические выкладки и практические данные [2].

Проводя дальнейшие исследования, авторы предлагают использование ещё одной перспективной конструкции [3], в которой жёсткость и вязкость рабочего органа регулируются давлением воздуха внутри шин и внешними металлическими бандажами на вальце (Рис. 1).

Рис. 1. Валец с изменяемой жёсткостью

Очевидно, что регулируя упруго-вязкие свойства такого вальца можно добиться работы уплотнителя с уплотняемой средой в эффективном квазирезонансном режиме, что и позволяет значительно интенсифицировать процесс деформации обрабатываемого материала при минимальных энергозатратах /4/. Для осуществления адаптации рабочего органа под квазирезонансный режим работы необходимо знать упруго-вязкие характеристики предлагаемого рабочего органа катка. С этой целью в лаборатории кафедры «ЭСМиК» был проведён ряд экспериментов по определению реологических свойств рабочего органа катка с изменяемой жёсткостью. Результаты исследований представлены на рис. 2, 3, 4.

Методика проведения исследований заключалась в следующем: к опытному вальцу с бандажами прикладывался ударный импульс в виде сбрасываемого груза, действие которого приводило к деформации опытного вальца, при этом рассматривалась работа, затрачиваемая на деформацию (которой в значительной степени препятствуют металлические бандажи) (1). С учетом допущений (деформация шины линейна, шина с бандажами -это однородное тело, обладающее определенной массой, а опорная поверхность абсолютно твёр-

дое тело) можно с достаточной точностью определить жесткость рабочего органа.

т - т - V'2 С - х2

2

- + Ь - V - V2) - X

где С - жесткость, кН/м; т - масса сбрасываемого груза, кг; \Ли У2 -скорость груза до и после удара соответственно, м/с; х - деформация рабочего органа, м (значения деформации вальца определялись при помощи датчика линейных перемещений Меда^оп RC35-750S и фиксировались в ПЭВМ.

Рис. 2. Экспериментальная установка

О 6 12 Н шт

Рис. 3. Характеристика жёсткости вальца Оценим жёсткость:

С

т- (V2 - V2) - 2' Ь- V - V2) - х

„2

Вторым показателем является коэффициент вязкого трения, определяемый по затуханиям колебаний в вальце.

С учётом затухания колебаний от ударного

импульса, вязкость определится по зависимости: »= *-;

2п

где Ь -коэффициент вязкого трения, кНс/м.; б -логарифмический декремент колебаний, который учитывает скорость демпфирования и вид колебаний.

/ \

8 = — 1п М

Хт1рр У Хтгр.О. +1)

где М - число циклов колебаний.

Рис. 4. Характеристика вязкости вальца

Сравнивая полученные данные с реологическими характеристиками классических пневмо-шин и даже с шинами заполненными жидкостью (гидрошинами), становится очевидным, что ,представленная конструкция вальца обладает более высокой жёсткостью и меньшей диссипа-тивной составляющей, а это уже в первом приближении позволяет сделать вывод о более эффективном использовании такого вальца для вибрационного уплотнения различных материалов.

Для определения рациональной частоты колебаний вибровозбудителя система «валец -грунт» была представлена в виде двух масс связанных между собой коэффициентами вязкого и упругого сопротивления и колеблющихся под воздействием гармонической вынуждающей силы. Записаны дифференциальные уравнения второго порядка, описывающие движение масс такой колебательной системы. Решая которые можно получить режимные характеристики необходимые для работы катка в квазирезонансном режиме.

Эффективность работы вибрационного катка в рациональном режиме можно оценить путём рассмотрения процессов происходящих в уплотняемом грунте. Согласно исследованиям Бор-щевского А. А. и Ильина А. С. [4] силы трения между грунтовыми частицами при их вибрацион-

ном уплотнении пропорциональны коэффициентам трения между ними.

F = fN;

Fu = fuN;

где N - сила нормального давления на грунт, Н; f — действительный коэффициент трения скольжения; ^ — видимый коэффициент трения скольжения.

Рассматривая скорости сообщаемые частицам грунта от вынуждающей силы вибровозбудителя /4/ и с учётом выражений (3) определим видимый коэффициент трения скольжения частиц друг о друга.

* = и

и I 2^ 2 V У + и

где и, у — скорости сообщаемые двум соседним связанным частицам грунта, м/с.

Поскольку величина относительной максимальной скорости сообщаемой двум соседним частицам пропорциональна величине амплитуды и частоты их колебаний у, и~Аю, то используя вышеприведённые выкладки и сравнивая коэффициенты трения характеризующие силы трения между грунтовыми частицами становится очевидным, что чем ниже силы трения и сцепления между грунтовыми частицами, тем интенсивнее протекает процесс уплотнения. В нашем случае максимальное снижение этих сил будет наблюдаться именно в околорезонансном режиме.

Заключение

Как показывает проведённый анализ, применение адаптивных рабочих органов позволяет осуществлять процесс уплотнения в энергоэффективном режиме работы. Время контакта вальца с материалом при этом больше чем у металлических вальцов, а контактные напряжения не меньше, значительно снижаются силы трения и сцепления в обрабатываемом материале. Всё это, а так же возможность регулировать реологию вальца и частоту колебаний вибровозбудителя позволяет интенсифицировать процесс уплотнения обрабатываемого материала.

Библиографический список

1. Савельев С.В. уплотнение грунтов катками с адаптивными рабочими органами: монография. — Омск: СибАДИ, 2010. — 122 с.

2. Савельев С.В., Лашко А.Г. Расширение возможностей эффективного уплотнения строительных материалов. Вестник СибАДИ., вып. 3 (13)., Омск: изд-во СибАДИ. 2009 г. с. 19 - 21.

3. ПАТ. № 93090 НА ПОЛЕЗНУЮ МОДЕЛЬ РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ, МПК: Е01 С 19/28, 19./28. ВАЛЕЦ ДОРОЖНОГО КАТКА /САВЕЛЬЕВ С. В.; ЛАШКО А. Г.; ЗАЯВИТЕЛЬ И ПАТЕНТОНАБЛЮДАТЕЛЬ СИБИРСКАЯ ГОС. АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНАЯ АКАДЕМИЯ. -2009146463/22; ЗАЯВЛ. 14.12.2009; ОПУБ 24.04.2010 Г.

4. БОРЩЕВСКИЙ А. А., ИЛЬИН А. С. МЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ: УЧЕБ. ДЛЯ ВУЗОВ ПО СПЕЦ. «ПР-ВО СТРОИТ. ИЗДЕЛИЙ И КОНСТРУКЦИЙ». - М.: ВЫСШ. ШК., 1987. - 368 С.: ИЛ.

INNOVATIVE DECISIONS OF THE INTENSIFICATION OF PROCESSES OF CONSOLIDATION OF ROAD-BUILDING MATERIALS

S.V. Saveliev, A.G. Lashko

This report is devoted to the actual to date the problem - increase of intensity of the seals road-building materials in construction of automobile roads and other engineering structures. Is the quality of sealing materials depends on performance and durability of different engineering structures. The possibilities of the future sealing equipment, the research on the properties of such machines and provides recommendations on choice of rational modes of compaction of soil embankment.

Савельев Сергей Валерьевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «ЭСМиК» СибАДИ, директор Центра дополнительного образования СибАДИ. Основные направления научной деятельности: повышение эффективности уплотнения дорожно-строительных материалов, развитие теории интенсификации уплотнения упруго-вязких сред. Общее количество опубликованных работ: 33

Лашко Алексей Геннадьевич - аспирант кафедры «ЭСМиК»СибАДИ. Основные направления научной деятельности: повышение эффективности уплотнения дорожно-строительных материалов. Общее количество опубликованных работ: 4