close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

358

код для вставкиСкачать
1
На правах рукописи
БУРЫЙ ГРИГОРИЙ ГЕННАДЬЕВИЧ
ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВИБРАЦИОННЫХ
КАТКОВ С УЧЕТОМ МАССЫ УПЛОТНЯЕМОГО ГРУНТА В ЗОНЕ
АКТИВНОГО ДЕЙСТВИЯ ВИБРАЦИИ
05.05.04 – Дорожные, строительные
и подъемно-транспортные машины
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Омск – 2016
2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном
учреждении
высшего
профессионального
образования
«Сибирская
государственная автомобильно-дорожная академия(СибАДИ)»
Научный руководитель
доктор технических наук, доцент
САВЕЛЬЕВ Сергей Валерьевич
Официальные оппоненты:
ВЕРИГИН Юрий Алексеевич,
доктор технических наук, профессор, федеральное
государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования «Алтайский
государственный технический университет им.
И.И.
Ползунова»,
профессор
кафедры
«Технологии и механизации строительства»
(г. Барнаул)
ШАРДИН Михаил Витальевич,
кандидат технических наук,
федеральное
государственное
бюджетное
образовательное
учреждение
высшего
профессионального
образования
«Пермский
национальный исследовательский политехнический
университет», доцент кафедры «Автомобили и
технологические машины» (г. Пермь)
федеральное
государственное
бюджетное
образовательное
учреждение
высшего
профессионального образования «Московский
автомобильно-дорожный
государственный
технический университет (МАДИ)» (г. Москва)
Ведущая организация
Защита состоится «27» апреля 2016 г. в 14.00 часов на заседании
диссертационного совета ВАК РФ Д 212.250.02 при Федеральном
государственном
бюджетном
образовательном
учреждении
высшего
профессионального образования «Сибирская государственная автомобильнодорожная академия (СибАДИ)» по адресу: 644080, г. Омск, проспект Мира, 5,
ауд. 3124. Тел. (3812) 65-03-23, е-mail: dissovetsibadi@bk.ru.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Сибирская
государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)» и на сайте академии
по адресу: http://www.sibadi.org/science/studies/dissertations/27685/.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью
учреждения, просим направлять в диссертационный совет по адресу: 644080, г.
Омск, проспект Мира 5, ФГБОУ ВПО «СибАДИ»
Тел. (3812) 65-03-23, e-mail: dissovetsibadi@bk.ru.
Автореферат разослан «9» марта 2016 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
доктор технических наук
Кузнецова
Виктория Николаевна
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Необходимость развития
дорожно-транспортной сети требует улучшения эксплуатационных
характеристик земляного полотна автомобильных дорог и других насыпей
инженерного назначения. Улучшение характеристик для таких сооружений
во многом определяется тщательностью уплотнения грунтов. Это один из
важнейших факторов, влияющих на долговечность и работоспособность
самого земляного полотна, а также возведённых на нём инженерных
сооружений: зданий, одежд автомобильных дорог и аэродромов, верхнего
строения пути железнодорожных насыпей. Поэтому одной из ключевых
операций в общем технологическом процессе строительства является
уплотнение грунтов – это наиболее дешевый и распространенный метод
придания им необходимой устойчивости и прочности. Основными
дорожными машинами, применяемыми для уплотнения грунтов земляного
полотна, являются дорожные катки. По сравнению со статическими
катками наибольшее распространение получили вибрационные катки из-за
их большей производительности. Повышение эффективности работы и
производительности дорожных катков в транспортном строительстве
несомненно актуальная и важная задача.
Степень разработанности темы исследования. В исследование
процесса уплотнения грунта вибрационными катками неоценимый вклад внесли
такие ученые, как Баркан Д.Д., Батраков О.Т., Веригин Ю.А., Вялов С.С.,
Доценко А.И., Иванов Н.Н., Калужский Я. А., Костельов М. П., Кустарев Г.В.,
Пермяков В. Б., Савельев С.В, Сорокин В.Н., Тарасов В.Н., Хархута Н.Я. и др.
За рубежом уплотнение грунтов изучали L Forssblad, K. Terzaghi, Michael A.
Mooney, W. A. Lewis, W. V. Ping, М. Novak и др.
Признавая бесспорные заслуги названных ученых, необходимо
отметить, что выбор режимных параметров вибрационных катков зависит
от разных факторов, в том числе от величины соколеблющейся массы
уплотняемого грунта под вибровальцом. На сегодняшний день при
определении рекомендуемых режимных параметров вибрационных катков,
масса уплотняемого грунта под вибровальцом принимается приближенно,
ограничивается только толщиной слоя грунта и углом его внутреннего
трения. Эта масса колеблется под воздействием вальца в так называемой
зоне активного действия вибрации. Величина этой массы, а также ее
изменение в процессе уплотнения до настоящего времени является до
конца не решенной научной задачей. От величины этой массы зависит
выбор рациональных режимных параметров вибрационных катков и, как
следствие, производительность вибрационных катков и эффективность
процесса виброуплотнения.
4
Цель диссертационной работы - повышение эффективности процесса
уплотнения грунтов вибрационными катками.
Объект исследований - процесс уплотнения слоев земляного полотна
вибрационными катками.
Предмет исследований - зависимости процесса взаимодействия вальца
вибрационного катка с уплотняемым слоем грунта.
Поставленная цель определила следующие задачи:
1. Усовершенствовать математическую модель взаимодействия вальца
вибрационного катка с массой уплотняемого грунта, учитывая зону
активного действия вибрации;
2. Получить зависимости значений виброускорений в грунте от
частоты колебаний вибровозбудителя, коэффициента уплотнения грунта,
толщины слоя грунта для определения толщины и угла распространения
зоны активного действия вибрации от пятна контакта вальца с грунтом;
3. Установить
зависимость
массы
уплотняемого
грунта
вибрационными катками в зоне активного действия вибрации от физикомеханических свойств грунта и режимных параметров катка;
4. Обосновать методику выбора рациональных режимных параметров
вибрационных катков: частоту колебаний и вынуждающую силу
вибровозбудителя, рабочую скорость.
Содержание рассматриваемых в работе вопросов отвечает формуле
паспорта научной специальности 05.05.04 – «Дорожные, строительные и
подъемно-транспортные машины», п. 2 - Методы моделирования,
прогнозирования, исследований, расчета технологических параметров,
проектирования, испытаний машин, комплектов и систем, исходя из
условий их применения; п. 3 - Совершенствование технологических
процессов на основе новых технических решений конструкций машин; п. 4
- Методы управления машинами, машинными комплектами и системами
контроля качества технологических процессов, выполняемых машинами.
Научная новизна работы:
1) Усовершенствована математическая модель «валец вибрационного
катка - грунт», в которой учитывается масса уплотняемого грунта в зоне
активного действия вибрации в зависимости от физико-механических
свойств грунта и режимных параметров катка;
2) Определена зависимость массы уплотняемого грунта в зоне
активного действия вибрации от физико-механических свойств грунта и
режимных параметров катка;
3) Установлены зависимости значений виброускорений в грунте от
частоты колебаний вибровозбудителя, коэффициента уплотнения грунта,
толщины слоя грунта.
Теоретическая и практическая значимость результатов работы:
1) Разработана методика обоснования рациональной частоты колебаний
5
вибровозбудителя, вынуждающей силы вибровозбудителя, рабочей
скорости вибрационных катков, толщины уплотняемого слоя, уплотняемой
массы грунта от физико-механических свойств грунта, учитывающая
изменение массы уплотняемого грунта в зоне активного действия
вибрации;
2) Повышена производительность вибрационных катков за счет
определения их рациональных режимных параметров: частоты колебаний
и вынуждающей силы вибровозбудителя, рабочей скорости;
3) Определена зависимость изменения массы уплотняемого грунта в
зоне активного действия вибрации от физико-механических свойств грунта
и режимных параметров катка, а также геометрические размеры этой зоны;
4) Разработана программа, позволяющая определять режимные
параметры вибрационных катков с учетом массы уплотняемого грунта в
зоне активного действия вибрации;
5) Разработано
устройство
непрерывного
контроля
качества
уплотнения грунта;
6) Результаты исследований использованы в учебном процессе на
кафедре “Эксплуатация и сервис транспортно-технологических машин и
комплексов в строительстве” ФГБОУ ВПО «СибАДИ», а также на
производственных предприятиях и в организациях, занимающихся
эксплуатацией уплотняющих машин.
Методология и методы исследования предусматривают совокупность
экспериментальных и теоретических подходов к исследованию. Решение
поставленных задач основано на анализе общепринятых теоретических
положений в области уплотнения грунтов и экспериментальных
исследованиях, проведенных в производственных и лабораторных
условиях, на теории планирования и обработки экспериментальных
данных и результатов математического моделирования. В расчетах и
обоснованиях использовались программные обеспечения: Visual Basic,
КОМПАС-3D, Microsoft Office.
Положения, выносимые на защиту:
- усовершенствованная математическая модель «валец вибрационного
катка - грунт»;
– результаты экспериментальных исследований зоны активного
действия вибрации;
– методика обоснования режимных параметров вибрационных катков с
учетом массы уплотняемого грунта в зоне активного действия вибрации;
– рекомендации по режимным параметрам вибрационных катков.
Достоверность исследований обеспечена:
– использованием фундаментальных положений теории уплотнения
грунта;
6
–
достаточным
объемом
экспериментальных
исследований,
проведенных в производственных и лабораторных условиях на
сертифицированном оборудовании;
– использованием математического анализа в качестве главного
инструмента исследования, методов современной обработки результатов
исследований;
–
проверкой
адекватности
теоретических
исследований
экспериментальными исследованиями.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и
обсуждались: на Международной 66-й научно-практической конференции
«Ориентированные фундаментальные и прикладные исследования –
основа модернизации и инновационного развития архитектурностроительного и дорожно-транспортного комплексов России» (СибАДИ, г.
Омск, 2012 г.); II Межвузовской научной конференции студентов и
аспирантов «Природные и интеллектуальные ресурсы Омского региона
(Омскресурс-2-2012)», (ОмГТУ, г. Омск, 2012 г.); VII Всероссийской
научно-практической конференции (с международным участием)
«Развитие
дорожно-транспортного
комплекса
и
строительной
инфраструктуры на основе рационального природопользования»,
(СибАДИ, г. Омск, 2012 г.); Всероссийской научно-практической
конференции, посвященной Дню российской науки (с международным
участием) (СибАДИ, г. Омск, 2012 г.); на научно-практической
конференции, посвященной Дню российской науки (СибАДИ, г. Омск,
2013 г.); на ХIV Международной научно-практической конференции
аспирантов, студентов и молодых ученых “Теоретические знания – в
практические дела”, (ОФ ФГБОУ ВПО «МГУТУ им. К. Г. Разумовского»,
г. Омск, 2013 г.); на 67-й научно-практической конференции «Теория,
методы проектирования машин и процессов в строительстве» (СибАДИ, г.
Омск, 2013 г.); на Международном конгрессе “Архитектура.
Строительство. Транспорт. Технологии. Инновации” (СибАДИ, г. Омск,
2013 г.); III Межвузовской научной конференции студентов и аспирантов
«Природные и интеллектуальные ресурсы Омского региона (Омскресурс3-2013)» (ОмГТУ, г. Омск, 2013 г.); Международной научно-практической
конференции «Современные научные исследования: актуальные проблемы
и тенденции» (ОИВТ филиал ФГБОУ ВО «НГАВТ», г. Омск, 2014 г.); на
заседаниях кафедры ЭСМиК ФГБОУ ВПО «СибАДИ».
Реализация результатов работы. Результаты исследований приняты
к внедрению ООО «Стройтехника», ЗАО НПК «Дорожно-Строительные
Технологии» (г. Омск) и применяются в учебном процессе в различных
дисциплинах на кафедре «Эксплуатация и сервис транспортнотехнологических машин и комплексов в строительстве» ФГБОУ ВПО
«СибАДИ».
7
Публикации. По результатам исследований опубликовано 12 работ, в
том числе 7 работ в материалах научных конференций, 5 статей в
журналах, рекомендованных перечнем ВАК Минобрнауки РФ. Получены
свидетельство о регистрации электронного ресурса и свидетельство о
регистрации программы для ЭВМ. Получен патент на изобретение РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из
введения, четырех глав, выводов, списка использованных источников и
приложений. Общий объём работы 169 страниц, включая 27 таблиц, 53
рисунка и 12 приложений. Библиографический список включает 161
наименование.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во
введении
приведено
обоснование
актуальности
темы
диссертационной работы, установлены цель и основные задачи
исследований, сформулированы научная новизна и практическая ценность
выполненных исследований.
В первой главе выполнен анализ уплотнения грунтов дорожными
катками и факторов, влияющих на процесс уплотнения грунтов, при
строительстве земляных насыпей инженерных сооружений.
Наиболее распространенным способом придания земляному полотну
требуемой плотности является уплотнение катками. В наши дни все
большее распространение получают вибрационные катки из-за их большей
производительности по сравнению со статическими. Однако уплотнение
вибрированием - достаточно сложный процесс, зависящий от многих
факторов со стороны грунта и катка. В зависимости от свойств грунта
необходимо подбирать такие режимные параметры вибрационного катка,
при которых процесс уплотнения будет проходить наиболее интенсивно.
В исследование процесса уплотнения грунта вибрационными катками
неоценимый вклад внесли такие ученые, как Баркан Д.Д., Батраков О.Т.,
Веригин Ю.А., Вялов С.С., Доценко А.И., Калужский Я. А., Костельов М.
П., Кустарев Г.В., Пермяков В. Б., Савельев С.В., Сорокин В.Н., Тарасов
В.Н., Хархута Н.Я., L Forssblad, K. Terzaghi, Michael A. Mooney, W. A.
Lewis, W. V. Ping и др.
Признавая бесспорные заслуги названых ученых, необходимо отметить,
что выбор режимных параметров вибрационных катков во многом зависит
от массы деформируемого грунта под вибровальцом. При определении
рекомендуемых
на
сегодняшний
день
режимных
параметров
вибрационных катков, масса деформируемого грунта под вибровальцом
принималась приближенно, и зона, в которой колеблется деформируемый
грунт, более подробно не рассматривалась. В этой зоне находится масса
грунта, точное определение которой является проблемой, так как масса
8
уплотняемого грунта изменяется и значительно влияет на эффективность
процесса виброуплотнения и производительность вибрационных катков. В
главе рассмотрены физико-механические свойства грунтов, которыми
необходимо задаваться при назначении режимных параметров
вибрационных катков. Физико-механические свойства грунтов оказывают
существенное влияние на выбор режимных параметров вибрационных
катков и геометрические размеры зоны, которая характеризует массу
уплотняемого грунта.
Во второй главе был рассмотрен процесс взаимодействия вальца
вибрационного катка с уплотняемым грунтом, определена степень влияния
уплотняемой массы грунта на эффективность процесса уплотнения и
выбор
режимных
параметров
вибрационных катков. Для этого была
рассмотрена
математическая
модель
«валец вибрационного катка - грунт» в
виде
двухмассовой
колебательной
системы, где грунт рассматривается как
упруговязкопластичная среда. Данная
математическая
модель
была
усовершенствована
введением
зависимости для массы уплотняемого
грунта в зоне активного действия
вибрации.
Рациональные
режимные
параметры
вибрационных
катков
необходимо подбирать с точки зрения
Рис. 1 - Двухмассовая
колебательная
система «валец
достижения максимальных значений
вибрационного катка – грунт»
виброускорений в массе грунта.
При составлении математической
модели были приняты следующие допущения: грунт является сплошной
упруговязкопластичной средой, с которой активно взаимодействует валец
по всей толщине слоя; масса m2 включает массу вальца и часть массы
катка, приходящуюся на этот валец; основание, на котором расположен
рассматриваемый уплотняемый слой грунта, абсолютно жесткое; валец не
отрывается от поверхности грунта; рассматривается система с
сосредоточенными параметрами.
Модель, представленная на рисунке 1, включает параллельно
соединенные элементы жесткости и вязкости, где b1 – коэффициент
вязкого трения грунта; с2 – коэффициент жесткости вальца; с1у и с1пл –
коэффициенты, учитывающие упругие и пластичные деформации грунта,
Н/м. На модели показано взаимодействие колеблющихся масс: m2 –
масса вальца с пригрузом от веса катка и m1 – масса уплотняемого
9
грунта в зоне активного действия вибрации. Колебание масс m2 и m1
происходит под действием вынуждающей силы Р. Под воздействием
колебаний массы получают относительные перемещения z1 и z2,
которые прямо пропорциональны значениям виброускорений системы.
Для решения поставленных задач представим математическую модель,
предложенную О.А. Савиновым, М. Новаком, Д.Д. Барканом, О.Я.
Шехтером, в виде системы дифференциальных уравнений второго порядка
m 2 а 2  c 2 (z 2  z1 )  Pcos ωt  m 2 g;


(1)


m1а 1  b1 z 1  c1z1  c 2 (z1  z 2 )  m1g,
где mi – колеблющиеся массы системы, кг; ω – угловая частота
вынужденных колебаний, рад/с; t – время, с; с1 – коэффициент,
учитывающий
упругие
и
пластичные
деформации
грунта,
(с1=(с1ус1пл)/(с1у+с1пл)), Н/м; b1 – коэффициент вязкого трения грунта, Н·с/м;
а1 – значение виброускорений массы уплотняемого грунта, м/с2; а2 –
значение виброускорений массы вальца с пригрузом от веса катка, м/с2.
По методам исключения неизвестных и сведению системы к
дифференциальному уравнению четвертого порядка было получено
решение, позволяющее определять значения виброускорений массы
уплотняемого грунта. Значения виброускорений массы уплотняемого грунта
принимаются за критерий эффективности уплотнения вибрированием, в
соответствии с исследованиями проф. Д. Д. Баркана и проф. Н. Я. Хархуты.
Это вторая производная от перемещений в грунте, которая существенно
влияет на скорость его деформирования и, как следствие, на коэффициент
его уплотнения.
В третьей главе описаны исследования зоны активного действия
вибрации при вибрационном уплотнении грунтов, проведенные на
лабораторной базе ФГБОУ ВПО «СибАДИ». Проводились исследования
по уплотнению суглинистого и супесчаного грунтов оптимальной
влажности. В процессе уплотнения проводилось измерение значений
виброускорений
в
грунте
многофункциональным
измерителем
«Экофизика» путем заложения в грунт пьезоэлектрических датчиковакселерометров. Плотность грунта и его влажность измерялись по ГОСТ
5180-84. Перед реализацией экспериментальных исследований было
проведено их планирование. Далее определялись углы α и β
распространения зоны активного действия вибрации от пятна контакта
вальца с грунтом. Проводились экспериментальные исследования
значений виброускорений в направлениях Х, Y, Z (рисунок 2) на пятне
контакта и под пятном контакта на глубине 0,15м в грунте. Исследования
показали, что с ростом плотности грунта значения виброускорений
уменьшаются, следовательно, по мере уплотнения грунта необходимо
10
увеличивать частоту колебаний и вынуждающую силу вибровозбудителя до
достижения максимальных значений виброускорений в грунте, при этом не
превышая предела прочности грунта.
а)
б)
Рис. 2 – Углы α и β распространения зоны активного действия вибрации от пятна
контакта вальца с грунтом: а) при измерениях на пятне контакта; б) при измерениях
под пятном контакта на глубине 0,15м
7
a = -10,578К у + 16,036
Z
5
a = -1,4494К у + 2,8391
4
R2 = 0,9982
3
a = -0,3781К у + 0,9086
Y
2
Z
9
Виброускорения а , м/с2
6
Виброускорения а , м/с2
10
R2 = 1
R2 = 0,9977
8
a = -20,13К у + 28,131
7
R2 = 0,9969
6
a = -3,412К у + 5,6803
5
4
R2 = 0,9949
Y
R2 = 0,9972
2
X
X
1
a = -0,8463К у + 1,8093
3
1
0
0,95
0,96
0,97
0,98
Ку
0,99
1
0
0,95
0,96
0,97
0,98
0,99
1
Ку
а)
б)
Рис. 3 – Зависимости значений виброускорений на пятне контакта в направлениях
Х, Y, Z от коэффициента уплотнения грунта при уплотнении с частотой колебаний
вибровозбудителя 30Гц: а) суглинка; б) супеси
На несвязных грунтах зафиксированы большие значения
виброускорений, чем на связных, что говорит о необходимости уплотнять
связные грунты с большими частотой колебаний и вынуждающей силой
вибровозбудителя
(рисунки
3,4,5,6,7,8).
Частота
колебаний
вибровозбудителя измерялась лазерным тахометром.
11
12
18
16
Z
a = -20,099К у + 30,469
R2 = 1
8
a = -2,7539К у + 5,3942
6
4
R2 = 0,9982
a = -0,7184К у + 1,7228
Y
R2 = 0,9977
2
0
0,95
Виброускорения а , м/с2
Виброускорения а , м/с2
10
a = -38,247К у + 53,448
R2 = 0,9969
12
10
a = -6,4829К у + 10,793
R2 = 0,9949
8
6
Y
a = -1,6079К у + 3,4377
R2 = 0,9972
4
X
X
0,96
Z
14
2
0,97
0,98
0,99
0
0,95
1
0,96
0,97
0,98
Ку
0,99
1
Ку
а)
б)
Рис. 4 – Зависимости значений виброускорений на пятне контакта в направлениях
Х, Y, Z от коэффициента уплотнения грунта при уплотнении с частотой колебаний
вибровозбудителя 45Гц: а) суглинка; б) супеси
a = -38,188К у + 57,89
Z
35
R2 = 1
30
20
15
Виброускорения а , м/с2
Виброускорения а , м/с2
25
a = -5,2325К у + 10,249
R2 = 0,9982
10
a = -1,365К у + 3,2734
Y
R2 = 0,9977
5
X
0
0,95
0,96
Z
R2 = 0,9969
20
a = -12,318К у + 20,506
R2 = 0,9949
15
a = -3,055К у + 6,5317
Y
R2 = 0,9972
10
X
5
0,97
0,98
0,99
0
0,95
1
a = -72,67К у + 101,55
25
0,96
0,97
0,98
Ку
0,99
1
Ку
а)
б)
Рис. 5 – Зависимости значений виброускорений на пятне контакта в направлениях
Х, Y, Z от коэффициента уплотнения грунта при уплотнении с частотой колебаний
вибровозбудителя 60Гц: а) суглинка; б) супеси
5
8
a = -17,957К у + 19,911
Z
R2 = 0,9959
4,5
Виброускорения а , м/с2
Виброускорения а , м/с2
4
3,5
3
a = -3,8596К у + 4,3415
2
R = 0,9966
2,5
2
a = -1,5664К у + 1,7393
Y
1,5
R2 = 0,949
1
X
0,5
0
0,85
0,87
a = -26,951К у + 30,318
Z
R2 = 0,9992
7
6
5
a = -7,3333К у + 8,5787
R2 = 0,998
4
Y
a = -2,5К у + 3,0336
3
R2 = 0,9921
2
X
1
0,89
0,91
Ку
0,93
0,95
0
0,85
0,87
0,89
0,91
0,93
0,95
Ку
а)
б)
Рис. 6 – Зависимости значений виброускорений под пятном контакта на глубине 0,15м
в направлениях Х, Y, Z от коэффициента уплотнения грунта при уплотнении
с частотой колебаний вибровозбудителя 30Гц: а) суглинка; б) супеси
Исследования показали, что частота колебаний вибровозбудителя и
плотность грунта не оказывают значительного влияния на значения углов
12
α и β. Углы распространения зоны активного действия вибрации составили
при уплотнении связного грунта α=4-50, β=13-140, несвязного грунта α=560, β=16-180.
16
10
9
Виброускорения а , м/с2
R = 0,9964
7
6
a = -7,0608К у + 8,006
5
R2 = 0,9858
4
a = -2,542К у + 2,9026
Y
3
R2 = 0,9625
2
0
0,85
0,87
R2 = 0,9994
12
10
a = -14,489К у + 16,76
R2 = 0,9972
8
Y
6
a = -4,9074К у + 5,9335
R2 = 0,9953
4
X
2
X
1
0,89
0,91
0,93
a = -51,255К у + 57,651
14
2
8
Виброускорения а , м/с2
Z
a = -34,637К у + 38,333
Z
0
0,85
0,95
0,87
0,89
0,91
0,93
0,95
Ку
Ку
а)
б)
Рис. 7 – Зависимости значений виброускорений под пятном контакта на глубине
0,15м в направлениях Х, Y, Z от коэффициента уплотнения грунта при уплотнении с
частотой колебаний вибровозбудителя 45Гц: а) суглинка; б) супеси
18
Z
Z
R2 = 0,9964
14
12
a = -13,275К у + 15,151
10
R2 = 0,9888
8
a = -4,4261К у + 5,1496
Y
6
R2 = 0,9987
4
X
2
0
0,85
0,87
0,89
0,91
Ку
0,93
a = -97,799К у + 109,91
R2 = 0,999
25
Виброускорения а , м/с2
Виброускорения а , м/с2
16
30
a = -65,697К у + 72,696
0,95
20
a = -29,167К у + 33,279
R2 = 0,9956
15
Y
a = -8,5К у + 10,51
10
R2 = 0,987
X
5
0
0,85
0,87
0,89
0,91
0,93
0,95
Ку
а)
б)
Рис. 8 – Зависимости значений виброускорений под пятном контакта на глубине
0,15м в направлениях Х, Y, Z от коэффициента уплотнения грунта при уплотнении с
частотой колебаний вибровозбудителя 60Гц: а) суглинка; б) супеси
Далее проводились исследования по определению зоны активного
действия вибрации в вертикальной плоскости грунта. Они заключались в
размещении пьезоэлектрических датчиков в грунт на глубине 0м, 0,15м,
0,3м, 0,45м, 0,6м. На различных частотах колебаний вибровозбудителя
фиксировались значения виброускорений в грунте вибровальцом.
Исследования
позволили
определить
тенденцию
затухания
виброколебаний по глубине грунта, что необходимо для определения
рациональной толщины уплотняемого слоя (рисунки 9,10,11).
13
5
a = 27,742h3 - 9,4966h2 - 15,01h + 6,989
R2 = 0,9998
8
7
a = 17,685h3 + 3,4331h2 - 18,562h + 6,4665
R2 = 0,997
Виброускорения, а м/с 2
4
3,5
a = -193,04h4 + 216,96h3 - 47,257h2 - 17,459h + 5,8565
R2 = 1
3
2,5
К у =0,85
2
К у =0,9
1,5
1
Виброускорения, а м/с 2
4,5
a = 28,32h3 + 5,5137h2 - 29,725h + 10,349
R2 = 0,997
6
a = -370,66h4 + 430,46h3 - 111,71h2 - 22,918h + 9,3676
R2 = 1
5
4
3
К у =0,85
К у =0,9
2
К у =0,95
К у =0,95
1
0,5
0
0,15
a = 44,387h3 - 15,181h2 - 24,028h + 11,184
R2 = 0,9998
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
0,55
0
0,15
0,6
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
0,55
0,6
Толщина слоя грунта h, м
Толщина слоя грунта h, м
а)
б)
Рис. 9 – Зависимости значений виброускорений от толщины слоя грунта при
уплотнении с частотой колебаний вибровозбудителя 30Гц: а) суглинка; б) супеси
10
15
a = 52,71h3 - 18,044h2 - 28,518h + 13,279
R2 = 0,9998
a = 84,335h3 - 28,844h2 - 45,653h + 21,25
R2 = 0,9998
a = 33,602h3 + 6,5228h2 - 35,268h + 12,286
R2 = 0,997
Виброускорения, а м/с 2
8
7
a = -366,77h4 + 412,23h3 - 89,787h2 - 33,172h + 11,127
R2 = 1
6
5
К у =0,85
4
К у =0,9
3
2
Виброускорения, а м/с 2
9
a = 53,808h3 + 10,476h2 - 56,477h + 19,664
R2 = 0,997
10
a = -704,26h4 + 817,88h3 - 212,25h2 - 43,545h + 17,798
R2 = 1
К у =0,85
5
К у =0,9
К у =0,95
К у =0,95
1
0
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
0,55
0
0,15
0,6
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
0,55
0,6
Толщина слоя грунта h, м
Толщина слоя грунта h, м
а)
б)
Рис. 10 – Зависимости значений виброускорений от толщины слоя грунта при
уплотнении с частотой колебаний вибровозбудителя 45Гц: а) суглинка; б) супеси
a = 100,15h3 - 34,283h2 - 54,185h + 25,23
R2 = 0,9998
Виброускорения, а м/с 2
3
30
2
a = 63,844h + 12,393h - 67,01h + 23,344
R2 = 0,997
15
a = -696,86h4 + 783,24h3 - 170,6h2 - 63,028h + 21,142
R2 = 1
10
К у =0,85
К у =0,9
5
a = 160,24h3 - 54,804h2 - 86,741h + 40,375
R2 = 0,9998
25
К у =0,95
Виброускорения, а м/с 2
20
a = 102,23h3 + 19,904h2 - 107,31h + 37,361
R2 = 0,997
20
a = -1338,1h4 + 1554h3 - 403,28h2 - 82,735h + 33,817
R2 = 1
15
К у =0,85
10
К у =0,9
К у =0,95
5
0
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
Толщина слоя грунта h, м
0,5
0,55
0,6
0
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
0,55
0,6
Толщина слоя грунта h, м
а)
б)
Рис. 11 – Зависимости значений виброускорений от толщины слоя грунта при
уплотнении с частотой колебаний вибровозбудителя 60Гц: а) суглинка; б) супеси
14
В
четвертой
главе
представлены
исследования
массы
уплотняемого грунта в зоне активного действия вибрации и методика
обоснования режимных параметров вибрационных катков с учетом
этой массы. Анализ исследований показывает, что масса грунта в зоне
активного действия вибрации изменяется в зависимости от плотности
грунта. Поэтому для повышения эффективности процесса уплотнения
было разработано устройство непрерывного контроля качества
уплотнения грунта. Критерием, ограничивающим зону активного
действия вибрации, выбраны критические значения виброускорений.
Такие критические значения виброускорений были установлены проф.
Д.Д. Барканом, М.П. Костельовым. Анализ проведенных исследований в
области виброуплотнения грунтов позволил разработать методику
обоснования режимных параметров вибрационных катков с учетом массы
уплотняемого грунта в зоне активного действия вибрации. Режимные
параметры вибрационных катков необходимо выбирать с учетом
диапазона от 30 до 60Гц, обеспечивающего максимально возможные
значения виброускорений в грунтовой среде.
1. Определение вынуждающей силы вибровозбудителя
Из исследований проф. Хархуты Н.Я. вынуждающую силу
вибровозбудителя определим по зависимости
Р  39,4  mд  rд  f 2 ,
(2)
где mд – масса дебаланса, кг; rд – радиус вращения центра тяжести
дебаланса, м; f – частота колебаний вибровозбудителя, Гц.
2. Определение рабочей скорости вибрационного катка
Рабочую скорость вибрационного катка определим по формуле (3),
длину дуги пятна контакта вальца с грунтом - по формуле (4),
коэффициент превышения - по формуле (5):
60  d  n пр  f
v
;
(3)
nц
 К пр  (Р  9,81  m 2 ) 
;
d  2  R  arcsin  2
(4)


В

R

E


 Р 
  5,18,
К пр  0,018  
(5)
 m a/ 
 2

где d – длина дуги пятна контакта вальца с грунтом, м; nц – потребное
число циклов нагрузки при уплотнении (для связного грунта nц =20000;
для несвязного nц =5000); nпр – число проходов катка; f – частота
колебаний вибровозбудителя, Гц; m2 – масса вальца с пригрузом от веса
катка, кг; В – ширина вальца катка, м; R – радиус вальца, м; а/ - единичное
значение виброускорения (а/=1м/с2); Е – модуль деформации грунта, Па.
15
Определим модуль деформации грунта по регрессионным
зависимостям для связного (6) и несвязного (7) грунтов:
2


 ρ 
 ρ 

  1279  
  560   E /
E  743  
;
(6)


 ρ max 
 ρ max 


2


 ρ 
 ρ 





E  864  
 1498  
 653   E /




,
(7)
ρ max 
ρ max 




3
где ρ – плотность грунта, кг/м ; ρmax – максимальная стандартная плотность
грунта, кг/м3; E/ - единичное значение модуля деформации (E/=1МПа).
Напряжение на пятне контакта вальца с грунтом определяется в
соответствии с формулой, рекомендованной проф. Н.Я. Хархутой:
P  9,81  m 2
σ  К пр
.
(8)
Bd
Определим предел прочности грунта по регрессионным зависимостям
для связного (9) и несвязного (10) грунтов:
8,2245



ρ
  σ/

σ пр  1,66  
;
(9)


 ρ max 


9,6672

 ρ 

  σ/

σ пр  0,8756  
,
(10)


ρ max 



где σ/ - единичное значение напряжения (σ/=1МПа). Коэффициент
детерминации R2=0,98.
3. Определение толщины уплотняемого слоя грунта
Толщину уплотняемого слоя грунта определим при уплотнении
связного грунта по зависимости (11), при уплотнении несвязного грунта по зависимости (12):


σ
σ

50,2  /  К у  a /  13,3·К у  a / - 35,2· /  a / - 9,3  a /
ρ

σ
σ
h  h /  к  log К З 
2
ρ

 Р 
Р
σ
 
/ 


   0,018   m   5  m  50,8  а    0,86  1,3  К у  1,44  /

σ
2
 2
 





 ;(11)








σ
σ /
/
/
/


27,4· /  К у  a  8,1·К у  a - 19,5· /  a - 5,6  a


σ
σ
/ ρк
hh 
 log К З 
 , (12)
2
ρ

 Р 
Р
σ 
 
/ 
   0,018   m   5  m  50,8  a    3,3  4,1 К у  2,3  /  

σ 
2
 2
 


16
где ρк – конечная плотность грунта, кг/м3; Кз – коэффициент,
учитывающий понижение значений виброускорений по толщине грунта; σк
– напряжение на пятне контакта вальца с грунтом на конечной стадии
уплотнения, МПа; σ/ - единичное значение напряжения (σ/=1МПа); а/ единичное значение виброускорения (а/=1м/с2); h/ - единичное значение
толщины (h/=1м); Рк – вынуждающая сила вибровозбудителя на конечной
стадии уплотнения, Н.
Коэффициент КЗ, учитывающий снижение значений виброускорений по
толщине грунта, определим по зависимостям для связного (13) и
несвязного (14) грунтов, напряжение на пятне контакта на конечной
стадии уплотнения - по зависимости (15), длину дуги пятна контакта на
конечной стадии уплотнения - по зависимости (16):
ρ
σ
К З  0,073  0,077  к  0,0065  к/ ;
(13)
ρ max
σ
ρ
σ
К З  0,08  0,086  к  0,014  к/ ;
(14)
ρ max
σ
Р  9,81  m 2
σ к  К пр2 к
;
(15)
В  dк
 К пр2  (Р к  9,81 m 2 ) 
,
d к  2  R  arcsin  2
(16)


В

R

E
к


где dк – длина дуги пятна контакта на конечной стадии уплотнения, м; Кпр2 –
коэффициент превышения на конечной стадии уплотнения; Ек – модуль
деформации грунта на конечной стадии уплотнения, Па; σ/ - единичное
значение
напряжения
(σ/=1МПа);
Рк
–
вынуждающая
сила
вибровозбудителя, Н.
Коэффициент превышения на конечной стадии уплотнения К пр2
определим по зависимости (17), вынуждающую силу вибровозбудителя Рк
- по зависимости (18):
 Рк 
  5,18;
К пр2  0,018  
(17)
 m a/ 
 2

2
Рк  39,4  mд  rд  f к ,
(18)
/
/
2
где а - единичное значение виброускорения (а =1м/с ); fк – частота
колебаний вибровозбудителя на конечной стадии уплотнения, Гц.
Из исследований Хархуты Н.Я. определим модуль деформации грунта
на конечной стадии уплотнения по регрессионным зависимостям для
связного (19) и несвязного (20) грунтов:
17

 ρ
E к   743   к

 ρ max

2

 ρ
 - 1279   к

ρ

 max


  560   E /

;



(19)
2


 ρк 
 ρк 

  1498  
  653   E /
E к  864  


.
(20)


ρ max 
ρ max 




Напряжение на пятне контакта на конечной стадии уплотнения грунта
не должно превышать предел прочности грунта. Из исследований Хархуты
Н.Я., Вялова С.С., Трофимова В.Т. определим предел прочности грунта на
конечной стадии уплотнения по регрессионным зависимостям для
связного (21) и несвязного (22) грунтов:
8,2245

 ρк 

  σ/

σ пр2  1,66  
;
(21)


ρ max 



9,6672


 ρк 

  σ/

σ пр2  0,8756  
,
(22)


 ρ max 


где σ/ - единичное значение напряжения (σ/=1МПа). Коэффициент
детерминации R2=0,98.
4. Определение массы уплотняемого грунта
Массу уплотняемого грунта в зоне активного действия вибрации,
представленную на рисунке 12, найдем по формуле
1
m1  ρ  ( h  ((В  2h  tg α)  (d  2h  tg β) 
3
(23)
 d  В  (В  2h  tg α)  (d  2h  tg β)  d  В)),
где ρ – плотность грунта, кг/м3; h – толщина уплотняемого слоя грунта, м;
α и β – углы распространения зоны активного действия вибрации от пятна
контакта, град; В – ширина вальца, м; d – длина дуги пятна контакта
вальца с грунтом, м.
Углы распространения зоны активного
действия вибрации составили при
уплотнении связного грунта α=4-50,
β=13-140, несвязного грунта α=5-60,
β=16-180.
Рис. 12 – Масса уплотняемого грунта
18
5. Определение значений виброускорений массы уплотняемого
грунта
Значения виброускорений массы уплотняемого грунта определим по
зависимости
а1  М  ω2  cos ωt  N  ω2  sin ωt;
(24)




μ ω 4  В ω 2  D 


М
;
2

- 2


 4
 

2
3
 ω  В ω  D   А ω  С ω

 

 



 μ А ω 3  С ω 


N
;
2
2
 4  2 -  3  
 ω  В ω  D   А ω  С ω

 





с c
Р c2
b
c
c m  m2
b c
μ
; A 1 ; В 1  2  1
; С 1 2 ; D 1 2 ;
m1 m 2
m1 m 2
m1 m 2
m1
m1 m 2
m1
ω  2π  f;
(25)
dВ
с1  Е 
;
(26)
h
dВ
b1  η
,
(27)
h
где ω – угловая частота вынужденных колебаний, рад/с; t – время, с; с1 –
коэффициент, учитывающий упругие и пластичные деформации грунта,
Н/м; b1 – коэффициент вязкого трения грунта, Н·с/м; η – динамическая
вязкость грунта (для связного грунта оптимальной влажности η=14·104,
для несвязного грунта оптимальной влажности η=4·104), Па·с; а1 – значение
виброускорений массы уплотняемого грунта, м/с2.
Для
определения
рациональной
частоты
колебаний
вибровозбудителя в диапазоне от 30 до 60 Гц необходимо, чтобы
выполнялись следующие условия:
a 1 , f к  max,
σ  σ ,
пр


σ к  σ пр2 ,

d  R,
d к  R.
(28)
Подбор рациональной частоты колебаний вибровозбудителя в
диапазоне от 30 до 60Гц осуществляется до тех пор, пока не будут
выполняться условия (28). После того, как определена рациональная
19
частота колебаний вибровозбудителя, находим другие рациональные
режимные параметры вибрационных катков: вынуждающую силу
вибровозбудителя, рабочую скорость вибрационного катка, толщину
уплотняемого слоя грунта, значение массы уплотняемого грунта, значение
виброускорений массы уплотняемого грунта.
Практическая применимость результатов исследований была
доказана на примере обоснования режимных параметров для
вибрационного катка Hamm 3518. Годовой экономический эффект от
использования результатов исследований для вибрационного катка Hamm
3518 при уплотнении суглинка составил около 720000 рублей в год, при
уплотнении супеси – около 480000 рублей в год.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итоги исследования, рекомендации и перспективы дальнейшей
разработки темы:
1) Усовершенствована
математическая
модель
«валец
вибрационного катка-грунт», позволяющая учесть массу уплотняемого
грунта в зоне активного действия вибрации;
2) Получены новые зависимости значений виброускорений в грунте
от частоты колебаний вибровозбудителя, коэффициента уплотнения
грунта, толщины слоя грунта, характеризующие объем и форму зоны
активного действия вибрации;
3) Впервые
установлена
зависимость
изменения
массы
уплотняемого грунта вибрационными катками в зоне активного действия
вибрации от физико-механических свойств грунта и режимных параметров
катка. Полученные значения отличаются не менее, чем на 20% от
значений, полученных по предыдущим исследованиям. Установлены углы
распространения зоны активного действия вибрации от пятна контакта.
Они составили при уплотнении связного грунта α=4-50, β=13-140,
несвязного грунта α=5-60, β=16-180;
4) Разработана новая методика, позволяющая обосновать режимные
параметры вибрационных катков (частоту колебаний и вынуждающую
силу вибровозбудителя, рабочую скорость), учитывающая изменение
массы грунта в зоне активного действия вибрации;
5) Подтверждена
адекватность
теоретических
результатов
экспериментальными исследованиями. Погрешность не превышает 10%;
6) Экономический эффект от результатов исследований для
вибрационного катка Hamm 3518 составил при уплотнении суглинка ≈ 720
тыс. рублей в год; супеси ≈ 480 тыс. рублей в год.
20
Список работ опубликованных по теме диссертации:
– статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1. Бурый, Г. Г. Экспериментальные исследования «активной области»
деформируемой среды при вибрационном уплотнении /С.В. Савельев, Г.Г.
Бурый// Вестник СибАДИ. – Омск: СибАДИ, 2012. - № 5 (27). - С. 88-95.
2. Бурый, Г. Г. Математическое описание колебательной системы
«вибрационный рабочий орган - грунт» /Г. И. Шабанова, С.В. Савельев,
Г.Г. Бурый// Вестник СибАДИ. – Омск: СибАДИ, 2013. - № 3 (31). - С. 102107.
3. Бурый, Г.Г. Анализ уплотнения грунтов перспективными вибрационными
катками /С.В. Савельев, Г.Г. Бурый // Строительные и дорожные машины. – М.,
2013. - № 1. - С. 8 – 10.
4. Бурый, Г.Г. Исследования процесса вибрационного деформирования
грунта /С.В. Савельев, Г.Г. Бурый // Вестник Государственного Иркутского
технического университета. – Иркутск, 2013. - № 2 (73). - С. 66-69.
5. Бурый, Г.Г. Методика обоснования режимов работы дорожных
катков с учетом массы уплотняемого грунта в зоне активного действия
вибрации/ С.В. Савельев, Г.Г. Бурый // Строительные и дорожные
машины. – М., 2015. – № 3. - С. 48 – 51.
– статьи в других изданиях:
6. Бурый, Г.Г. Уточнение существующих рекомендаций по оценке
уплотняющей способности вибрационных катков/ Г.Г. Бурый // Материалы
III Межвузовской научной конференции студентов и аспирантов. – Омск:
ОмГТУ, 2013. – С. 156-159.
7. Бурый, Г.Г. Теория и выбор средств уплотнения грунта/ Г.Г. Бурый //
Материалы Международной 66-й научно-технической конференции
ФГБОУ ВПО «СибАДИ». – Омск: СибАДИ, 2012. – Кн. 1. – С. 429-431.
8. Бурый, Г.Г. Контроль качества уплотнения грунтов и инновационное
устройство для его осуществления/ С.В. Савельев, Г.Г. Бурый// Материалы
VII Всероссийской научно-практической конференции ФГБОУ ВПО
«СибАДИ» (с международным участием). – Омск: СибАДИ, 2012. – С. 199203.
9. Бурый, Г.Г. Уплотняющая способность вибрационных катков и
инновационные решения для ее улучшения/ Г.Г. Бурый// Материалы
Всероссийской научно-практической конференции, посвященной Дню
российской науки (с международным участием). – Омск: СибАДИ, 2012. –
С. 29-33.
10.Бурый, Г.Г. Вибрационные машины и их воздействие на грунт/ Г. Г.
Бурый // Материалы II Межвузовской научной конференции студентов и
аспирантов. – Омск: ОмГТУ, 2012. – С. 104-106.
21
11. Бурый, Г.Г. Виды влажности грунтов/ Г.Г. Бурый // Материалы
Международной 66-й научно-технической конференции ФГБОУ ВПО
«СибАДИ». – Омск: СибАДИ, 2012. – Кн. 1. – С. 431-434.
12. Бурый, Г.Г. Методика обоснования режимных параметров
вибрационных катков с учетом массы уплотняемого грунта в зоне
активного действия вибрации / Г.Г. Бурый // Материалы международной
научно-практической конференции «Современные научные исследования:
актуальные проблемы и тенденции». – Омск: ОФ ФГБОУ ВО НГАВТ,
2014. – С. 47-55.
– патенты и свидетельства:
13. Пат. 2500855 Российская Федерация, МПК Е01С23/07. Устройство
непрерывного контроля качества уплотнения грунта / Михеев В. В.,
Савельев С.В., Бурый Г.Г.; заявитель и патентообладатель Федеральное
государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального
образования
“Сибирская
государственная
автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)” (RU); №2012121230/03;
заявл. 23.05.2012; опубл. 10.12.2013, Бюл. № 34. - 2 с.
14. Свидетельство о государственной регистрации электронного
ресурса № 20339. Алгоритм расчета режимных параметров вибрационных
катков с учетом массы уплотняемого грунта в зоне активного действия
вибрации / Савельев С. В., Бурый Г. Г. Организация-разработчик:
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ).
Дата регистрации: 21.08.2014.
15. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ
№2014661770. Обоснование режимных параметров вибрационных катков с
учетом массы уплотняемого грунта в зоне активного действия вибрации //
Савельев С. В., Бурый Г. Г. Организация-разработчик: Сибирская
государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ). Дата
регистрации: 12.11.2014.
22
БУРЫЙ ГРИГОРИЙ ГЕННАДЬЕВИЧ
ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВИБРАЦИОННЫХ
КАТКОВ С УЧЕТОМ МАССЫ УПЛОТНЯЕМОГО ГРУНТА В ЗОНЕ
АКТИВНОГО ДЕЙСТВИЯ ВИБРАЦИИ
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Подписано к печати 24.02.2016
Формат 60х90 1/16. Бумага писчая.
Оперативный способ печати.
Усл. п. л. 1,0
Тираж 150 Заказ №
Отпечатано в отделе оперативной полиграфии ИПЦ СибАДИ
г. Омск, пр. Мира, 5
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
725 Кб
Теги
358
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа