Материал: Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура

но определить в реальных условиях независимо один от другого. В связи с этим обстоятельством все известные динамические модели взаимодействия машин с уплотняемым материалом не позволяют оценить реальные динамические характеристики системы «машина — внешняя среда», то есть провести количественную оценку.

1. Обобщенная динамическая модель взаимодействия дорожно-строительных материалов с уплотняющими элементами дорожно-строительных машин. На основе ис-

пользования методов формализации динамических систем получена обобщенная динамическая модель взаимодействия различных уплотнителей с дорожными асфальтобетонными смесями и грунтами, а на ее основе — частные модели путем приравнивания к нулю соответствующих коэффициентов дифференциальных уравнений или исключения части уравнений системы.

Любая технология уплотнения дорожно-строительных материалов предопределяет выбор и использование соответствующего уплотняющего оборудования. При этом, например, для достижения требуемых норм плотности грунтов при строительстве земляного полотна тип грунтоуплотняющей машины и функциональные параметры ее рабочего органа (амплитуда и частота колебаний, статическое или динамическое контактное давление) должны соответствовать разновидности грунта, его состоянию и требуемым показателям качества уплотнения [9]. Те же требования относятся и к уплотняющим машинам, предназначенным для уплотнения асфальтобетонных смесей.

Однако амплитуда колебаний любого уплотнителя зависит от физико-механических свойств уплотняемого материала и изменяется в процессе его уплотнения. Поэтому предлагаемые значения амплитуд колебаний в технических характеристиках уплотняющих машин следует корректировать с учетом реологических свойств уплотняемого материала.

Любая технология проектируется под определенные условия работы при учете особенностей контакта машин с внешней средой. Следовательно, невозможно начинать проектирование технологии уплотнения, не имея представления о параметрах состояния или физикомеханических характеристиках самого уплотняемого материала. При этом должны быть проведены тестовые испытания последнего в реальных условиях его пребывания.

Основной физико-механической характеристикой уплотняемого дорожностроительного материала может служить модуль линейной, объемной или сдвиговой деформации. Для описания характеристик деформируемой среды с ярко выраженными упруго- вязко-пластичными свойствами, являющимися нелинейными и зависящими от времени и характера взаимодействия движителей машин с основанием, должна применяться теория наследственной ползучести Больцмана-Вольтерра.

На рис. 1 представлена обобщенная динамическая модель различных уплотняющих машин с использованием реологических параметров уплотняемой среды, определяемых на основе теории наследственной ползучести упруго-вязко-пластичных материалов. Данная модель позволяет выйти на определение амплитуды колебаний уплотнителей и мощности на уплотнение дорожных асфальтобетонных смесей и грунтов для выбранных при уплотнении средств.

Модель не учитывает влияние трансмиссии, которая в частных случаях может приводиться к схемам для расчета вертикальных колебаний гусеничного и колесного тракторов, тягачей, автомобилей и т. п. Результаты анализа динамических моделей уплотняющих машин представлены в таблице, где «плюс» означает наличие данного элемента модели, «минус» — его отсутствие.

Обобщенная двухмассовая динамическая модель (рис. 1) описывается системой из двух линейных дифференциальных уравнений второго порядка:

91

Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура

где

S(t – η) — ядро релаксации, характеризующее наследственные свойства материала; t – η — промежуток времени между моментом наблюдения деформации и моментом приложения нагрузки; Е/ — физико-механический параметр уплотняемого материала, являющийся отображением модуля деформации на единицу толщины уплотняемого слоя, Н м-1:

В последнем выражении Fк — площадь штампа, с помощью которого определяется модуль деформации слоя толщиной hсл; (t) — относительная деформация.

Представленная математическая модель (1) взаимодействия уплотнителей с дорожными асфальтобетонными смесями и грунтами позволяет определить их амплитуду колебаний Y2 в процессе уплотнения при учете реологических свойств материала.

При составлении динамической модели процесса уплотнения были приняты следующие допущения:

1.Элементы конструкции машины имеют абсолютную жесткость;

2.Машина имеет поперечную и продольную плоскости симметрии;

3.Все колебательные перемещения происходят в плоскостях, параллельных продольной плоскости симметрии;

4.Вибрационный рабочий орган работает в безударном режиме с колебаниями гармонического характера;

5.Уплотняемый слой обладает упруго-вязкими свойствами;

6.Упруго-вязкие свойства виброизоляторов линейны;

7.Рассматривается только вертикальная составляющая вибрации;

8.Инерционными свойствами уплотняемого материала можно пренебречь.

92

В зависимости от вида уплотняемого слоя, режимов работы и параметров уплотн и- теля правомерность 4-го и 5-го допущения может быть различной: для высокочастотных рабочих органов с малыми амплитудами колебания (это относится к самоходным виброкаткам для уплотнения асфальтобетонных покрытий, где амплитуда колебания составляет 0,25…0,75 мм и только на конечной стадии уплотнения возникают микроудары) эти допущения точнее, чем для рабочих органов низкой частоты, работающих в виброударном режиме (самоходных и прицепных виброкатков для уплотнения грунтов, амплитуда кол е- баний которых составляет 0,9…2 мм), для которых характер движения будет существенно отклоняться от синусоидального. Тем не менее, как указывают некоторые авторы, такие допущения иногда допустимы.

М1 и М2 — колеблющиеся массы, представляющие собой остов и ходовую часть машины; С1 и С2 — коэффициенты упругого сопротивления; В — коэффициент вязкого трения;

РВ — безынерционная вертикальная составляющая нагрузки со стороны рабочих органов машин;

Рi — внешние динамические нагрузки; Е/ — физико-механический параметр,

характеризующий свойства деформируемого основания; Yi — вертикальные координаты масс

и поверхности уплотняемого слоя в процессе движения уплотняющей машины

Рис. 1. Обобщенная динамическая модель уплотняющих машин для оценки параметров вертикальных колебаний

2. Процесс уплотнения горячей асфальтобетонной смеси на примере использова-

ния виброкатка с вакуумным устройством. Рассмотрим рабочий процесс уплотнения горячей асфальтобетонной смеси на примере использования при уплотнении виброкатка с вакуумным устройством (ВУ) [16], от которого передается на каток дополнительная вертикальная безынерционная сила за счет создаваемого разрежения в камере устройства.

При этом 4-е допущение принято из соображений специфической особенности воздействия вакуумного устройства на слой горячей асфальтобетонной смеси:

эффект вакуумирования проявляется при высоких температурах, что заставляет использовать виброкатки с ВУ, начиная с повышенных тeмпepaтyp, при которых жесткость слоя гораздо меньше, что устраняет появление виброударного режима;

вакуумирование снижает модуль деформации слоя примерно в два раза, что также говорит в пользу вибрационного безударного режима;

воздействие вакуумной камеры как безынерционного пригруза уменьшает продолжительность нахождения вибровальца в воздухе за счет дополнительного прижатия, одновременно несколько снижая амплитуду колебаний, что также способствует переходу виброударного режима к вибрационному. Это обстоятельство подтверждается экспер и- ментальной проверкой повышения поперечной устойчивости виброкатка с ВУ на поп е- речном уклоне.

С принятием указанных допущений расчетная схема рабочего процесса виброкатка с ВУ упрощается до двухмассовой системы и может быть описана системой из двух линейных дифференциальных уравнений второго порядка [12]:

93

Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура

где М1 и М2 — соответственно масса части рамы катка, приходящейся на один валец, и масса вибровальца, кг; у1 и у2 — линейные перемещения масс М1 и М2 соответственно, м; Р1 — сила от воздействия вакуумной камеры, равная произведению ее рабочей площади на величину разрежения, Н; Р2 — амплитудное значение вынуждающей силы со стороны вибратора вальца, Н; — частота колебаний, с-1; — угол сдвига фаз между перемещением вибровальца и направлением вынуждающей силы, рад; С — жесткость амортизатора, Н м-1; S(t- ) — ядро релаксации [8, 19]:

S A e t t 1;

А, , — параметры ядра; е — основание натуральных логарифмов; Е' — физикомеханический параметр уплотняемого материала, Н м-1.

С учетом требований, предъявляемых к динамической модели, параметр Е/ представляет собой сложную функцию, зависящую от конструктивных и технологических параметров катка, учитывающую нелинейные свойства уплотняемого материала, меняющиеся во времени.

Получены решения для перемещений масс М1 и М2, когда закон изменения перемещений при вынуждающей силе P2 sin( t- ) имеет вид

где D( ) и С( ) — косинус- и синус-преобразования Фурье.

Как видно из (5), выражение для амплитуды колебаний вибровальца катка с ВУ представлено в неявном виде, его решение можно осуществить одним из известных методов высшей математики, например методом последовательных приближений.

Сдвиг фазы колебаний определяем по выражению, аналогично [20]:

Угол сдвига фаз между перемещением вибровальца и направлением вынуждающей силы является очень важным и единственным из доступных нам параметров, с помощью которого можно установить энергетический баланс при уплотнении слоя асфальтобетонной смеси, то есть определить мощность, необходимую на поддержание колебаний вибровальца, так как данные по углу сдвига фаз характеризуют свойства слоя асфальтобетонной смеси как поглотителя энергии.

Определив по выражениям (5) и (6) амплитуду колебаний и угол сдвига фаз между перемещением вибровальца и направлением вынуждающей силы, по формуле, предложенной С. А. Варгановым [3], можно определить величину мощности, идущей на поддержание колебаний:

94

где N — мощность, идущая на поддержание колебаний, Вт; Р2 — величина вынуждающей силы, Н; А — амплитуда колебаний вибровальца, м; — угловая частота вращения дебалансов, с-1; — угол сдвига фаз между перемещением вибровальца и направлением вынуждающей силы.

Используя выражения для амплитуды колебаний, угла сдвига фаз между перемещениями вибровальца и направлением вынуждающей силы, а также значения характеристик физи- ко-механических свойств уплотняемого слоя, определяли мощность на поддержание колебаний вибратора.

Первая половина процесса уплотнения вакуумированной асфальтобетонной смеси требует незначительного расхода мощности на поддержание колебаний, зато, начиная с момента, соответствующего значению коэффициента уплотнения 0,96, указанная мощность постепенно растет от прохода к проходу и в конце процесса уплотнения составляет 0,75…0,8 кВт. Амплитуда колебаний вальца виброкатка с ВУ в процессе уплотнения, согласно расчетам, менялась в пределах 0,17…0,4 мм. Ускорение вальца виброкатка с ВУ имеет значение 1,01…2,27g в зависимости от частоты колебаний и величины вынуждающей силы.

Параллельно расчетам мощности на привод вибратора виброкатка с ВУ были проведены расчеты мощности и для обычного виброкатка. На рис. 2 приведены относительные значения мощности на поддержание колебаний вальца виброкатка с ВУ в сравнении с обычным виброкатком, при одинаковых параметрах и режимах работы.

Рис. 2. Относительное значение мощности на поддержание колебаний

вальца виброкатка с ВУ в зависимости от плотности

асфальтобетонной смеси в процессе

Как видно из рисунка, на начальном этапе процесса уплотнения указанная мощность у виброкатка в 2,5…3 раза выше, чем у виброкатка с ВУ. На завершающем этапе процесса уплотнения это отношение увеличивается до 10…12. Таким образом, в технологическом процессе при уплотнении вакуумированных слоев асфальтобетонных смесей виброкатками значительно экономится мощность на привод вибратора, особенно это относится к завершающему этапу уплотнения.

Выводы. На основе методов формализации динамических систем разработана обобщенная динамическая модель процесса уплотнения дорожных асфальтобетонных смесей и грунтов, учитывающая как основные параметры применяемой уплотняющей машины, так и реологические параметры уплотняемого материала, что позволяет произвести не только качественную, но и количественную оценку динамики системы.

Параметры уплотняемого материала в модели представлены физико-механическим параметром, являющимся отображением модуля деформации на единицу толщины уплотняе-

95