На правах рукописи Игнатьев Алексей Александрович

На правах рукописи Игнатьев Алексей Александрович определение рациональных параметров вибрационных катков для уплотнения грунта Специальность 05.05.04 – «Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины» Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва - 2012 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ярославский государственный технический университет» на кафедре «Строительные и дорожные машины». Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Тюремнов Иван Сергеевич. Официальные оппоненты: Кузьмичев Виктор Алексеевич, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный политехнический университет «СПбГПУ», профессор кафедры «Транспортные и технологические системы»; Пермяков Владислав Борисович, доктор технических наук, заслуженный деятель науки РФ, профессор ФГБОУ ВПО Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия «СибАДИ», заведующий кафедрой «Эксплуатация и сервис транспортно-технологических машин и комплексов в строительстве». Ведущая организация: Открытое акционерное общество «Раскат», г.Рыбинск Защита диссертации состоится 21марта 2013 г. в _10__ часов на заседании диссертационного совета Д.212.126.02 ВАК РФ при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» по адресу:125319, Москва, Ленинградский проспект, д.64, ауд. 42. Телефон для справок (499) 155-93-24. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ. Автореферат разослан « 21 » февраля 2013 г. Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, профессор ______________/Н.В.Борисюк/ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Одной из распространенных причин преждевременного разрушения автомобильных и железных дорог является недостаточное уплотнение грунтов земляного полотна. В практике строительства наибольшее применение для уплотнения грунтов получили вибрационные катки. Качество уплотнения конкретного грунта в слое заданной толщины зависит от правильного выбора модели катка, скорости движения, числа проходов, частоты и вынуждающей силы вибратора и других параметров. Несмотря на постоянное совершенствование конструкций вибрационных катков, недостаточная изученность процесса уплотнения грунта не позволяет обосновать рациональные характеристики вибрационных катков для выполнения работ в конкретных условиях. Также нерешенной является задача обоснования режимов работы вибрационных катков при уплотнении различных видов грунта и широком диапазоне изменения толщины слоя и требуемой плотности. Таким образом, актуальной является задача определения рациональных параметров вибрационных катков, как на этапе проектирования, так и на этапе выбора модели катка для производства работ в конкретных условиях. Цель и задачи работы. Определение рациональных параметров вибрационных катков. Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи: - провести статистический анализ основных технических характеристик грунтовых вибрационных катков; - получить зависимости для расчета глубины распространения напряжений от динамически изменяющейся поверхностной нагрузки для случая линейного изменения плотности грунта по глубине; - разработать математическую модель уплотнения грунта вибрационным катком для случая линейного изменения плотности грунта по глубине и на ее основе сформировать программу «Katki»; - провести экспериментальные исследования процесса уплотнения грунта вибрационными катками; - провести проверку полученных результатов по программе «Katki», путем сопоставления с результатами проведенных экспериментальных исследований, а также сравнением с результатами экспериментальных исследований отечественных и зарубежных авторов и производителей катков; - обосновать характеристики катков на стадии проектирования и решить задачу выбора модели катка для производства работ в конкретных условиях и назначения режимов работы при смене вида грунта, толщины слоя и требуемого коэффициента уплотнения. Объект исследования. Процесс взаимодействия вибрационного катка с грунтом. Предмет исследования. Закономерности изменения напряженно-деформируемого состояния грунта. Научная новизна. - Получены зависимости для расчета глубины распространения напряжений от динамически изменяющейся поверхностной нагрузки с учетом линейного изменения плотности грунта по глубине, который является переходным этапом от случая постоянной плотности по глубине к нелинейному закону, наблюдаемому в действительности; - разработана математическая модель уплотнения грунта вибрационным катком, позволяющая рассчитывать напряжения и деформации грунта, как на поверхности, так и на различных глубинах при линейном законе изменения плотности грунта по глубине; - разработаны блок-схемы и программа расчета результатов уплотнения грунта вибрационным катком, реализованная в виде программы «Katki», содержащей кроме расчетного модуля настраиваемую базу данных по вибрационным каткам и встроенную справочную систему; - проведенная обработка результатов вычислительного эксперимента по программе «Katki» позволила получить решение задач обоснования рациональных параметров вибрационных катков на стадии проектирования и выбора модели катка для производства работ в конкретных условиях и назначения режимов работы при смене вида грунта, толщины слоя и требуемого коэффициента уплотнения. Практическая ценность. Разработанная программа «Katki», является удобным в применении инструментом для решения задач обоснования характеристик вибрационных катков на стадии проектирования, оценки сравнительной эффективности различных моделей катков для работы в конкретных условиях и назначения режимов работы для выбранной модели катка в различных условиях производства работ. Реализация работы. Разработанная программа «Katki» для определения рациональных параметров и режимов работы вибрационных катков внедрена в учебном процессе ЯГТУ по курсу «Основы автоматизированного проектирования транспортных сооружений", «Технология и организация строительства автомобильных дорог», «Реконструкция автомобильных дорог» для студентов специальности 270205 «Автомобильные дороги и аэродромы». Программа «Katki» внедрена и используются в производственной и проектной деятельности на предприятии Большесельское ГУП «Автодор». Положения выносимые на защиту: зависимости для расчета глубины распространения напряжений от динамически изменяющейся поверхностной нагрузки для случая линейного изменения плотности грунта по глубине; математическая модель уплотнения грунта вибрационным катком, позволяющая на каждом проходе рассчитывать напряжения и деформации грунта, как на поверхности, так и на различных глубинах при линейном законе изменения плотности грунта по глубине; решение задач обоснования характеристик вибрационных катков на стадии проектирования и выбора модели катка для производства работ в конкретных условиях и назначения режимов работы при смене вида грунта, толщины слоя и требуемого коэффициента уплотнения. Методы исследований, обоснованность и достоверность научных положений. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследований. Обоснованность и достоверность полученных результатов обеспечивается сопоставлением с результатами проведенных экспериментальных исследований, а также сравнением с результатами экспериментальных исследований отечественных и зарубежных авторов и производителей катков, по значениям развивающихся на различных глубинах напряжений и накоплению деформаций (коэффициента уплотнения) при уплотнении различных видов грунтов вибрационными катками. Апробация работы. Основные положения и результаты выполненных исследований докладывались на Всероссийской научно-практической конференции «Повышение долговечности транспортных сооружений и безопасности дорожного движения» (Казань, 2008), на шестьдесят первой, шестьдесят третьей, шестьдесят четвертой научно-технической конференции студентов, магистрантов и аспирантов (Ярославль, 2008, 2010, 2011), на XIV Московской международной межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Москва,2010), Всероссийской научно-методической конференции «Математическое образование и наука в технических и экономических вузах» (Ярославль, 2010), а также на семинарах кафедры «Строительные и дорожные машины» Ярославского государственного технического университета. Публикации. Основные результаты работы освещены в 14 научных публикациях, из них 3 в центральных научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, 6 в сборниках трудов международных конференций и семинаров; опубликована монография, получено одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Содержит 182 страницы машинописного текста, 79 страниц иллюстраций и таблиц, список литературы из 150 названий на 16 стр. содержание работы Первая глава посвящена практике использования вибрационных катков при уплотнении различных видов грунтов. Вибрационные катки на сегодняшний день являются наиболее распространенным и перспективным средством уплотнения грунтов в дорожном строительстве. Это объясняется их высокой уплотняющей способностью и возможностью регулирования режима работы. Каждый участок строительства дороги характеризуется своим сочетанием вида уплотняемого грунта, его влажности, толщины слоя, исходным и требуемым коэффициентом уплотнения. Диапазон изменения таких сочетаний очень велик, что создает значительные трудности при производстве работ. Также в широком диапазоне могут изменяться и характеристики вибрационных катков: общий вес, вес, приходящийся на вибровальцовый модуль, вынуждающая сила, диапазон и характер (ступенчатый или бесступенчатый) ее регулирования, частота и направление (круговые или направленные) колебаний, диаметр и ширина вибровальца. Кроме того, режим работы катка на объекте характеризуется рабочей скоростью, требуемым числом проходов и режимом управления вибрацией. Такое многообразие факторов, оказывающих влияние на итоговый результат уплотнения грунта, приводит к тому, что для обоснования выбора катка и назначения режима его работы необходимо решать сложную многопараметрическую задачу. Проведенный статистический анализ 190 моделей грунтовых вибрационных катков отечественных и зарубежных фирм производителей показал, что производители виброкатков опытным путем пришли к оптимальному соотношению параметров, характеризующих энерговооруженность, проходимость и устойчивость машины, управляемость и обзорность с рабочего места оператора, и, совершенно иная картина наблюдается для показателей, отвечающих за режим работы катка (зависимости относительного вынуждающего усилия P/Qв от массы вибровальцового модуля Mв, частоты колебаний f от эксплуатационной массы катка М, частоты колебаний f от вынуждающей силы P). Например, для катков с массой вибровальцового модуля 7000 кг диапазон изменения относительного вынуждающего усилия изменяется от 2,15 до 4.56,т.е. более чем в 2 раза (рисунок 1). Рисунок 1 - График зависимости относительного вынуждающего усилия от массы вибровальцового модуля Проведенный анализ работ Ю.М. Васильева, Г.В. Кириллова, М.П. Костельова, П.И. Маркова, Б.С. Марышева, В.П. Ложечко, Ю.М. Львовича, М.П. Павчича, Г.Н. Попова, А.В. Раннева, О.А. Савинова, Н.Я. Хархуты, А.А. Шестопалова, D. Adam, R. Anderegg, Jean-Louis Briaud, George K. Chang, D.Hren, M. Mooney, R. Rinehart, D. Siminiati, M. Leonard, D. Merritt, L. Michael, I. Paulmichl, W. V. Ping, R. Rasmussen, Paul van Susante, Jeongbok Seo, D. White, P.E.Guiyan Xing, Z.Yang, посвященных вопросам обоснования режимов работы вибрационного катка и оценке уплотняющей способности показал, что в настоящий момент по таким важнейшим технологическим параметрам как количество проходов для достижения требуемого коэффициента уплотнения на глубине, выбор оптимальной толщины уплотняемого слоя, скорости движения катка и режиму управления вибрацией (момент включения и выключения вибратора), имеются противоречивые точки зрения. Таким образом, проведенный анализ вопросов уплотнения грунтов вибрационными катками позволяет сделать следующие выводы: Общие тенденции развития и совершенствования вибрационных катков направлены на улучшение экологических, эргономических показателей и безопасности работы; повышение надежности, ремонтопригодности и удобства обслуживания; расширение функциональных возможностей; повышение уплотняющей способности; На основе проведенного статистического анализа основных технических характеристик 190 моделей вибрационных грунтовых катков установлено, что производители виброкатков опытным путем пришли к оптимальному соотношению параметров, характеризующих энерговооруженность, проходимость и устойчивость машины, а относительно параметров связанных с режимом работы катка единое мнение отсутствует; Проведенные исследования показали, что относительно технологических возможностей и технологических режимов работы исследователи и производители катков приводят, зачастую, противоречивые рекомендации. Это приводит к трудностям обоснования выбора модели катка для производства работ в конкретных условиях и назначения режимов его работы; Наиболее перспективными инструментами для решения выше перечисленных задач являются специализированные программы. Вторая глава посвящена обзору теоретических исследований вибрационного и ударного уплотнения грунтов, поскольку при уплотнении грунтов вибрационный каток в зависимости от параметров вибрации и свойств грунта, может работать как в режиме безотрывных колебаний, так и с периодическим отрывом вальца от грунта (аналог – ударное уплотнение). Теоретические подходы исследования статического уплотнения грунтов в данной главе рассматриваться не будут, поскольку в настоящее время в мировой практике применения вибрационных катков отказываются от предварительной подкатки поверхности в статическом режиме, и все проходы выполняются с включенной вибрацией. На сегодняшний день существует несколько подходов для решения задач вибрационного и ударного уплотнения грунтов. Подход, основанный на аналитическом решении уравнений механики сплошной среды, применяющийся для описания вибрационного уплотнения грунтов использовался в работах О.Т. Батракова, Г.Б. Безбородова, А.К. Бируля, А.В. Захаренко, Я.А. Калужского и др. Данный подход не позволяет учесть все многообразие режимов работы вибрационного катка, и в большей степени исследует процессы, происходящие только на поверхности грунта. Подход, основанный на применении численных методов решения уравнений механики сплошной среды (метод конечных элементов) применен в основном только зарубежными авторами. В работах D. Adam, H.M. Hugel, S. Henke, M.Mooney, описывается уплотнение грунтов вибрационными катками. В работах D. Adam, N.Aung, S. Henke, H.M. Hugel, S. Kinzler, J. Patrick, Dr. S. Werkmeiste описывается ударное уплотнение грунтов. Данный подход позволяет учесть свойства материалов, реальную геометрию рабочего органа, волнообразование, деформативные свойства грунтов, изучать процессы, происходящие как на поверхности, так и на глубине, однако является сложным и требует проведения обширных экспериментальных исследований по определению численных значений различных характеристик грунтов. Подход, основанный на применении реологических моделей получил наибольшее распространение, благодаря сравнительной простоте, наглядности и реальности процесса деформирования. В работах Д.Д.Баркана, А.И. Доценко, Г.Г. Закирзакова, М.И. Капустина, Г.Н.Попова, И.Г.Русакова, А.А.Харкевича, З. Чернева-Поповой, О.Я.Шехтер, D. Adam, R.Anderegg, D.Hren, K. Kaufmann, Michael A. Mooney, Selig, Siminiati, Paul J. van Susante, Yoo, описывается вибрационное уплотнение грунтов, в работах Д.Д.Баркана, Б.А.Белостоцкого, Н.П.Вощинина, Л.С.Лейбензона, D.Adam, J.A. Charles, S. Fryman, P.J.Lewis, W.A.Lewis, R.G. Lucas, I.Paulmichl, U.Smoltczyk, J.P. Welsh - ударное уплотнение. Проведенный анализ показал, что, несмотря на широкое применение данного подхода не только в нашей стране, но и за рубежом, он описывает процессы, происходящие только на поверхности контакта рабочего органа с грунтом, и не позволяет изучать процессы, происходящие в глубине уплотняемого слоя. Подход, основанный на использовании полуэмпирических зависимостей для описания вибрационного уплотнения грунтов представлен в работах Г.Н.Попова, Н.Я.Хархуты, M. Leonard, Patrick K. Miller, М.Mooney, W.V. Ping, R.V. Rinehart, P.E.Guiyan Xing, Z. Yang, C.Zambrano; для описания ударного уплотнения грунтов в работах И.П.Акишина, Б.А.Белостоцкого, Л.М.Бобылева, М.П.Костельова, Н.Я.Хархуты, D.Adam, I.Paulmichl и др. Данный подход, построенный на обобщении результатов экспериментальных исследований, позволяет рассчитывать значения напряжений и деформаций, как на поверхности, так и на глубине, однако имеет область применения, ограниченную диапазоном проведения экспериментальных исследований. Подход, основанный на применении уравнений динамической теории пластичности для уплотнения грунтов впервые применен академиком Х.А.Рахматуллиным и развит в работах Б.И.Дидуха, С.С.Григоряна, Г.М.Ляхова, Л.Р.Ставницера и др. Проведенный анализ показал, что данный подход позволяет определять распределение напряжений по глубине слоя грунта в зависимости от реального характера нагружения поверхности. На основе проведенных исследований в дальнейшем при формировании математической модели было принято решение: при расчете контактных напряжений на поверхности грунта целесообразно использовать зависимости, предложенные Н.Я. Хархутой; при расчете значений напряжения на заданной глубине перспективно использовать подход, основанный на исследовании закономерностей распространения волн напряжений в грунтах от динамической поверхностной нагрузки; при расчете деформаций грунта на различных глубинах использовать уравнения предложенные Н.Я. Хархутой.

Похожие:

	На правах рукописи бондаренко алексей Викторович дневные бабочки... Приравниваются работы, опубликованные в материалах всесоюзных, всероссийских и международных конференций и симпозиумов		На правах рукописи «Новоубеевская основная общеобразовательная школа» Дрожжановского муниципального района Республики Татарстан
	На правах рукописи ...		На правах рукописи Федерального Государственного образовательного стандарта общего образования (фгос ооо, М.: «Просвещение», 2011 год)
	На правах рукописи Утвердить прилагаемую Стратегию развития медицинской науки в Российской Федерации на период до 2025 года		На правах рукописи Данное постановление в районной газете «Северный край» и разместить на официальном сайте Администрации района
	На правах рукописи Барклая Вадим Ильич Жуков С. В. Королюк Е. Г. Избранные лекции по медицине катастроф. – Тверь, 2007. – 120с		На правах рукописи Печатается по решению учебно-методической комиссии Института истории фгаувпо «Казанский (Приволжский) федеральный университет»
	Ю. Н. Мишустин, С. Ф. Левкин Постоянное нарушение гомеостаза в виде хронической гипокапниемии как болезнетворный фактор – Самара: На правах рукописи, 2004. –...		На правах рукописи Показатели внутриглазного давления новорождённого ребёнка, обусловленные морфологическими особенностями дренажной системы глаза в...
	Организаций, не подавших декларации за 4 квартал 2013 года по форме 11 Общество с ограниченной ответственностью "заречье"; варламов алексей александрович		Окрепилова Владимира Валентиновича № п/п Название Печатный или на правах рукописи ...
	Правила подготовки рукописи к изданию самара Самарском государственном техническом университете. Дана характеристика видов вузовских изданий. Представлены порядок прохождения...		На правах рукописи Утверждение тем рефератов по истории отрасли науки для сдачи кандидатского экзамена по дисциплине «История и философия науки»
	Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ регистрационный... Алексеевич, Липов Денис Игоревич, Петрик Алексей Николаевич, Лобанов Павел Сергеевич, Семенов Роман Александрович, Киселев Алексей...		Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ регистрационный... Алексеевич, Липов Денис Игоревич, Петрик Алексей Николаевич, Лобанов Павел Сергеевич, Семенов Роман Александрович, Киселев Алексей...