Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

На правах рукописи

Шардин Михаил Витальевич

Обоснование рациональных параметров навесного виброактивного оборудования для изготовления прикромочных водоотводных лотков

из асфальтобетонной смеси

Специальность 05.05.04 - Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Омск - 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Пермский национальный исследовательский политехнический университет.

Научный руководитель:	Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Пермяков Владислав Борисович
Научный консультант:	кандидат технических наук, профессор Юшков Борис Семенович
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Захаренко Анатолий Владимирович кандидат технических наук, доцент Милюшенко Сергей Анатольевич
Ведущая организация:	Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования Пермский военный институт Внутренних Войск Министерства Внутренних Дел Российской Федерации.

Защита состоится 23 мая 2012 года в 1000 часов на заседании диссертационного совета ВАК РФ Д.212.250.02 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ) по адресу: 644080, г. Омск, проспект Мира, 5, ауд. 3124.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью учреждения, просим направлять на адрес диссертационного совета.

Телефон для справок (3812) 72-99-76, e-mail: dissovetsibadi@bk.ru

Автореферат разослан л23 апреля 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.250.02, доктор технических наук

В. Н. Кузнецова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Благодаря низким эксплуатационным затратам, технологичности строительства и простоте ремонта наибольшее распространение в качестве  покрытий автомобильных дорог получили асфальтобетонные покрытия, которые обеспечивают комфортное движение транспортных средств и устойчивость к силовым и природно-климатическим воздействиям в процессе эксплуатации. Однако скопление на их поверхности воды приводит к резкому снижению уровня безопасности движения и скоростей перемещения автотранспорта. Поэтому решение задач по своевременному ее отводу является актуальными для дорожной отрасли.

В настоящее время для сбора и переноса поверхностных вод, в заранее определенные места устраивают прикромочные водоотводные лотки, которые в основном изготавливаются из сборного или монолитного цементобетона. При определенных достоинствах этих лотков имеется и ряд серьезных недостатков, к которым, в первую очередь, относятся низкий уровень механизации производства работ и скорость укладки сборных водоотводных лотков.

Кроме того, объединение разнородных материалов асфальтобетона и цементобетона, отличающихся друг от друга теплофизическими и физико-механическими свойствами не обеспечивает их надежного сопряжения в процессе их эксплуатации, поэтому целесообразнее изготавливать лотки на объекте строительства из того же материала, что и дорожное покрытие, что технически целесообразно и экономически выгодно. Однако отечественная промышленность в настоящее время таких средств механизации не выпускает.

В связи с этим создание навесного виброактивного оборудования к асфальтоукладчикам для устройства прикромочных водоотводных лотков из асфальтобетонной смеси с обоснованием рациональных конструктивных и режимных параметров его работы является актуальной научно-технической задачей.

Работа выполнена в соответствии с основными научными направлениями кафедры Строительные и дорожные машины ФГБОУ ВПО Пермский национальный исследовательский политехнический университет.

Объект исследования - навесное виброактивное оборудование к асфальтоукладчикам для изготовления прикромочных водоотводных лотков из асфальтобетонной смеси.

Предмет исследования - закономерности изменения плотности асфальтобетонной смеси в лотках от конструктивных и режимных параметров работы навесного оборудования.

Цель работы - повышение уровня механизации и темпа строительства прикромочных водоотводных лотков на автомобильных дорогах за счет создания навесного виброактивного оборудования к асфальтоукладчику.

Задачи экспериментально-теоретических исследований:

1. Разработать конструкцию и изготовить экспериментальные стендовые установки, оснащенные контрольно-измерительной аппаратурой, для исследования процессов виброформовании лотков и лабораторных пробных, модельных образцов из асфальтобетонной смеси.
2. Разработать критерии оценки эффективности виброуплотнения и виброформования лотков из асфальтобетонной смеси.
3. Разработать математическую модель виброуплотнения прикромочного водоотводного лотка.
4. Определить рациональные конструктивные и режимные параметры работы виброактивного оборудования для изготовления прикромочных водоотводных лотков.
5. Спроектировать, изготовить, и испытать опытно-промышленный образец навесного виброактивного оборудования к колесному асфальтоукладчику для изготовления водоотводных лотков из асфальтобетонной смеси.
6. Разработать методические рекомендации по проектированию и обоснованию рациональных параметров навесного оборудования.
7. Определить адекватность результатов теоретического исследования процесса виброформования и виброуплотнения, полученных с использованием математической модели, с практическими результатами, полученными на экспериментальных стендах и в производственных испытаниях.

Общая методика исследований имеет комплексный характер, содержит как теоретические, так и экспериментальные исследования.

В теоретической части использовались методы постановки и решения задач теории уплотнения упруговязкопластичных материалов,  теоретической механики, механики сплошной среды и других фундаментальных наук. Экспериментальные исследования основаны на применении современной контрольно-измерительной аппаратуры, математической и статистической обработке экспериментальных данных.

Научная новизна работы заключается в:

• Разработке критериев оценки эффективности виброуплотнения и виброформования прикромочных водоотводных лотков.
• Установлении закономерностей, характеризующих изменение плотности в процессе виброуплотнения и виброформования лотков в зависимости от величины коэффициента режима = и динамического критерия для горячих и холодных асфальтобетонных смесей.
• Установлении фактических значений критериев при виброформовании и виброуплотнении для горячей мелкозернистой асфальтобетонной смеси МЗС тип Г, марка 1 ГОСТ 9128-2009; горячей плотной щебёночно-мастичной асфальтобетонной смеси ЩМА-15 ГОСТ 31015-2002; холодной асфальтобетонной смеси тип Бх марка II ГОСТ 9128-2009.
• Определении рациональных и конструктивных параметров работы виброоборудования, выражаемых через критерии - коэффициент режима и динамический критерий .
• Установлении зависимости плотности виброформуемой асфальтобетонной смеси от формы контактной поверхности виброформующего оборудования и частоты его колебаний.
• Разработке метода регистрации параметров процесса виброформования образцов в контейнере стендовой установки асфальтобетонной смеси защищен патентом на полезную модель № 105741 от 20.06.2011.

Практическая значимость работы заключается в:

• Разработке конструкции навесного виброактивного оборудования к асфальтоукладчику для изготовления прикромочных водоотводных лотков из асфальтобетонной смеси.
• В разработке методических рекомендациях по обоснованию рациональных параметров рабочего органа виброактивного навесного оборудования к асфальтоукладчику.
• Использование разработок и результатов исследований в учебном процессе по специальностям 190205 Подъемно-транспортные машины и оборудование и 190603 Сервис транспортных и технологических машин и оборудования (строительная, дорожная и коммунальные машины), по направлению 190000 Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов при подготовке бакалавров и магистров.

Достоверность научных положений, изложенных в работе, подтверждается экспериментальными исследованиями в лабораторных и полевых условиях, с использованием современного оборудования и необходимым объемом экспериментальных данных и их хорошей сходимостью с теоретическими расчетами, а также результатами производственных испытаний опытно-промышленного образца виброформующего оборудования.

На защиту выносятся:

1. Теоретическая модель, процесса виброформования прикромочных водоотводных лотков и пробных (модельных) образцов из асфальтобетонной смеси.
2. Результаты экспериментальных исследований процессов виброформования прикромочных водоотводных лотков и пробных образцов из асфальтобетонной смеси и установленные при экспериментах функциональные зависимости , а также аппроксимирующие эти зависимости выражения для двух горячих и одной холодной асфальтобетонных смесей;
3. Рекомендации по проектированию и рациональному выбору параметров навесного рабочего оборудования для изготовления прикромочных водоотводных лотков из асфальтобетонной смеси;
4. Конструктивная схема и результаты испытаний навесного рабочего оборудования к колесному асфальтоукладчику для изготовления прикромочных водоотводных лотков из асфальтобетонной смеси.

Апробация работы. Основные положения и результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли апробацию на научно-технических конференциях СибАДИ в 2006-2010 годах, ПНИПУ (ПермГТУ) в 2006-2011 годах, на заседаниях кафедры СДМ ФГБОУ ВПО ПНИПУ (ПермГТУ) 12 октября 2011 года, кафедры ЭСМиК ФГБОУ ВПО СибАДИ 11 ноября 2011 года и в публикациях.

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 19 статьях, в том числе в 2 статьях в издательствах рекомендованных ВАК РФ и патенте на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов по работе, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 192 страниц, из них 139 страниц основного текста, в том числе 13 таблиц, 81 рисунок, список использованных источников из 127 наименований. Объем приложения составляет 53 страницы и состоит из 12 наименований дополнительных материалов и подтверждающих документов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована ее цель, задачи исследования и основные положения, выносимые на защиту, показана научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе представлены результаты обзора научных исследований посвященных проблеме вибрационного уплотнения асфальтобетонной смеси с помощью виброкатков и виброплит, а также некоторые вопросы технологии производства работ по изготовлению прикромочных водоотводных лотков из асфальтобетонной смеси.

Теоретическому и экспериментальному исследованию процесса уплотнения асфальтобетонной смеси посвящены работы авторов: Н.Я. Хархута; А.М. Холодов; М.П. Костельов; В.Б. Пермяков; А.В. Захаренко; М.П. Зубанов; А.Ф. Зубков; С.А. Варганов; Ю.А. Коваленко; Т.Н. Сергеев; В.Н. Кононов; С.К. Носков; А.Г. Маслов; В.В. Дубков; Л.М. Посадский и др.

Анализ исследований по уплотнению асфальтобетонной смеси показал, что многие исследователи допускают схожесть процессов, наблюдаемых при уплотнении асфальтобетонной смеси как виброкатками, так и виброплитами. Однако недостаточное внимание в рассмотренных исследованиях уделено  режимам работы вибрационных плит. Практически не рассматривались вопросы виброформования и виброуплотнения прикромочных водоотводных лотков из асфальтобетонной смеси. В результате обзора и анализа выполненных исследований сформулированы задачи экспериментально-теоретических исследований, которые приведены в лобщей характеристике работы.

В настоящее время прикромочные водоотводные лотки изготавливаются из сборного или монолитного цементобетона, а в некоторых (достаточно редких) случаях и из асфальтобетона, но при изготовлении и тех и других лотков имеет место достаточно большое количество ручного труда.

Рис. 1. Разрушенный цементобетонный лоток. Автомобильная дорога Пермь-Чусовой.

Рис. 2. Пример конструкции лотка из асфальтобетона - поперечный профиль конструкции дорожной одежды с прикромочным лотком из асфальтобетона.

Серьезным недостатком цементобетонных лотков является их достаточно быстрое разрушение за счет действия кислых водных сред (рис. 1). В связи с недолговечностью прикромочных лотков из цементобетона, встает вопрос о более широком применении прикромочных водоотводных лотков из асфальтобетона (рис. 2).

Прикромочные водоотводные лотки из асфальтобетона являются весьма перспективными. К их положительным сторонам можно отнести относительно небольшие трудозатраты и возможность их изготовления вместе с асфальтобетонным покрытием автодороги. Относительным недостатком является почти полное отсутствие специализированных средств механизации, обеспечивающих укладку асфальтобетона на обочину дороги, его формование и  уплотнение.

Для механизации работ по строительству водоотводных лотков из асфальтобетонной смеси автором предложено специальное навесное виброактивное оборудование к колесным асфальтоукладчикам.

Во второй главе рассмотрены методические вопросы выполнения экспериментов и используемое оборудование.

Экспериментальные исследования проводились в соответствии с разработанной методикой, в которой рассмотрены следующие общие вопросы: разработка общей схемы проведения экспериментальных исследований; выбор и подготовка рабочей среды для проведения исследований (тип и марки асфальтобетонных смесей, их сохранение в течении определенного срока, подготовка смеси к экспериментам и т.п.); установление параметров, подвергаемых измерению и контролю при исследованиях; проектирование и изготовление экспериментальных стендов, выбор необходимых контрольно-измерительных приборов; разработка программы проведения натурного эксперимента; определение необходимого количества повторных опытов и другое.

Экспериментальные исследования проводились в три этапа. На первом этапе исследуется процесс виброформования пробных (модельных) образцов асфальтобетонной смеси.

На втором этапе исследовался процесс виброформования и виброуплотнения асфальтобетонной смеси, при изготовлении экспериментального водоотводного лотка.

На третьем этапе производились производственные испытания опытно-промышленного образца навесного виброформующего рабочего оборудования, агрегатированного с колесным асфальтоукладчиком СД-404Б.

Экспериментальное оборудование для проведения одно или трехфакторных экспериментов первого этапа представляет собой стенд пробных экспериментов, выполненный в двух модификациях (рис. 3 и 4).

Главным элементом стенда пробных экспериментов является вибровозбудитель, в качестве которого используется вибратор ИВ-98, установленный на плите-основании и работающий совместно с электронным преобразователем частоты тока модели Schneider Electric Altivar 31. Плита-основание перемещается по трубчатым направляющим, соединенным с рамой стенда. К плите-основанию прикрепляется пуансон и четыре стойки с площадкой для дисков пригруза. С помощью грузовой рамки и грузовой петли троса виброформующая часть стенда соединяется с ручной лебедкой, обеспечивающей подъем и опускание виброформующей части при подготовке эксперимента. Модификации стенда пробных экспериментов отличаются друг от друга формой, размерами и конструкцией контейнеров для асфальтобетонной смеси и используемой системой контроля и измерения регистрируемых параметров.

Рис. 3. Вариант установки для проведения пробных экспериментов с цилиндрической формой.

Рис. 4. Вариант установки для проведения пробных экспериментов с прямоугольной формой.

Первая модификация стенда пробных экспериментов (рис. 3) имеет контейнер с цилиндрической формой (рис. 5), высота которой 145 мм, а внутренний диаметр ∅105 мм. Контейнер оснащен устройством текущего измерения линейной деформации образца асфальтобетонной смеси при его виброформовании, а также термопарой для измерения температуры асфальтобетонной смеси, заполняющей контейнер. Конструкция контейнера стенда защищена патентом на полезную модель № 105741 от 20 июня 2011 г. 

Вторая модификация стенда пробных экспериментов (рис. 4) оснащена контейнером с разборной прямоугольной формой (рис. 6), размеры которой составляют 240х240х240 мм. Эта модификация стенда позволяет применять в качестве пуансона сменные штампы различной формы. Прямоугольная форма стенда оснащена тензометрическим датчиком давления, монтируемым в ее донной части.

Экспериментальное оборудование для проведения исследований второго этапа представлено стендовой установкой с рабочим оборудованием виброформователь прикромочного лотка (рис. 7 и 8).

Рис. 5. Конструктивная схема узла контейнера установки для проведения пробных экспериментов с цилиндрической формой. 1 - диск устройства измерения линейной деформации; 2 - трубчатый шток; 3 - втулка направляющая; 4 - вибровозбудитель; 5 - центрирующая крышка; 6 - пресс-форма; 7 - асфальтобетонная смесь; 8 - заполнитель формы; 9 - основание контейнера; 10 - рама установки; 11 - внешний корпус пресс-формы.

Рис. 6. Конструктивная схема узла контейнера установки для проведения пробных экспериментов с прямоугольной формой. 1 - вибровозбудитель; 2 - опорная плита; 3 - стойка сменного пуансона; 4 - сменный пуансон; 5 - форма установки; 6 - тензометрический датчик давления; 7 - дистанционные опоры; 8 - рама установки; 9 - асфальтобетонная смесь.

Стендовая установка позволяет производить уплотнение прикромочного водоотводного лотка с помощью виброформователя, представляющего собой виброплиту, поверхность которой спрофилирована в соответствии с формой и размерами уплотняемого прикромочного водоотводного лотка. Уплотняемое виброплитой пространство асфальтобетонной смеси ограничено двумя боковыми плавающими стенками. Стендовая установка смонтирована на базе тензометрической тележки учебного грунтового канала. В качестве вибровозбудителя плиты применен регулируемый механический вибратор круговых колебаний марки ИВ-98. Внутри грунтового канала выполнен опытный участок песчано-щебеночного основания автодороги, на поверхности которого формируется экспериментальный прикромочный лоток.

Важным элементом в проведении экспериментальных исследований является приготовление рабочей среды, то есть асфальтобетонной смеси.

В качестве рабочей среды во всех экспериментальных исследованиях используются два типа горячей и один тип холодной асфальтобетонной смеси.

Горячая асфальтобетонная смесь использовалась во всех эксперементальных исследованиях. Холодная асфальтобетонная смесь применяется как для основных экспериментов, так и для вспомогательных экспериментов и работ.

Рис. 7. Стендовая установка с рабочим оборудованием виброформователь прикромочного лотка. 1 - щебеночное основание.

Рис. 8. Формователь прикромочного лотка стендовой установки с рабочим оборудованием виброплита. 1 - плита-основание; 2 - опалубка; 3 - вибратор; 4 - пригрузы; 5 - гибкая связь; 6 - рама; 7 - лыжа.

Основные параметры процессов виброформования образцов асфальтобетонной смеси и прикромочного водоотводного лотка (абсолютная и относительная деформация образца, текущая температура и давление, асфальтобетонной смеси,  частота колебаний виброформующего оборудования, величина возмущающей силы вибровозбудителя и некоторые другие параметры) измеряются, контролируются и фиксируются с помощью системы измерений и контроля, основой которой является компьютер.

В третьей главе представлена математическая модель процесса виброуплотнения водоотводного лотка и результаты экспериментальных исследований. Разработка модели проходила в два этапа. На первом этапе была разработана структурно-логическая схема, протекающие процессы виброформования в которой были рассмотрены с позиции общности признаков рассматриваемых процессов. К ним относится:

1. Внутреннее деформационное пространство обоих процессов полностью или частично ограничено жесткими стенками;
2. В обоих процессах наблюдается значительное снижение трения в структурных составляющих;
3. В обоих процессах текущее значения массы асфальтобетонной смеси, вовлеченной в процесс, остается неизменным;
4. Упругость подошв виброформы и грунтово-щебеночного основания могут быть соизмеримы;
5. Пробные эксперименты показали, что образцы асфальтобетонной смеси, значительно отличающиеся площадью поперечного сечения (86...576 см2) при режимах виброформования, когда соответствует зависимости  , имеют сопоставимую плотность.

На втором этапе была разработана аналитическая модель, в которой рассматривались две расчетные схемы деформирования асфальтобетонной смеси: процесс А (рис. 9) и процесс Б (рис. 10). Процесс А представляет собой осесимметричную задачу квазистатистического стесненного деформирования цилиндрического образца. Процесс Б является квазистатической упруго-пластической задачей плоской деформации.

Рис. 9. Виброформование образца асфальтобетонной смеси.

Рис. 10. Виброформование прикромочного лотка.

В обеих задачах под деформациями и напряжениями понимаются не их мгновенные динамические значения, а осредненные квазистатические величины, возникающие под действием суммы псевдостатического и динамического давлений виброуплотняющего оборудования.

Постановка задачи - законы сохранения массы и импульса, описывающие динамическое деформирование материала, имеют вид:

в осесимметричной постановке  (процесс А):		в плоской постановке (процесс Б):
, , .	(А.1) (А.2) (А.3)	,   , .	(Б.1) (Б.2) (Б.3)
где:         - плотность среды, г/см3; - компоненты вектора массовой скорости по соответствующим осям; - компоненты тензора напряжений Коши.
При осесимметричном сжатии цилиндрического образца имеем:		Полагаем, что основная часть объема асфальтобетона,
, (Основание формы жесткое)	(А.4)	вовлеченного в процесс формования водоотводного лотка, находится в плоском деформированном состоянии: ,	(Б.4)
где:         - деформация; - перемещение.
Предполагается, для процессов А и Б, что среднее давление в материале зависит только от истинной плотности , т.е. . Зависимость должна определяться экспериментально.		Наличие жестких ограничительных стенок, параллельных оси Ox, делает невозможным расширение слоя в направлении оси Oy, т.е.:
		.	(Б.5)
		Основание лотка упругое.
Решение и результаты. Процесс А:		Решение и результаты. Процесс Б:
. После интегрирования: .	(А.5)	. После интегрирования: .	(Б.6)

Данное решение (А.5, Б.6) подтверждает тождественность процессов текучести, происходящих в асфальтобетонной смеси, в процессах А и Б. В процессе Б важную роль играет характеристика основания и отметим, что в силу малости толщины слоя асфальтобетона по сравнению с шириной лотка (), изменением напряжений по координате z (высоте слоя ) пренебрегаем, или что тоже самое, рассматриваем средние по толщине слоя значения напряжений, т.е. полагаем, что:

.

(Б.7)

Также, учитывая, что распределенное по поверхности асфальтобетонной полосы вибродавление формования постоянно во времени, имеем:

(Б.8)

Принимая во внимание соотношение Б.7 и Б.8 и условия постановки задачи, получим однородное напряженное состояние тела:

(Б.9)

Согласно соотношения (Б.9) реакция основания соответствует модели действия абсолютно жесткого штампа на двухпараметрическое основание Пастернака, определяемое коэффициентами постели и .  Следовательно, осадки точек поверхности основания лотка за пределами штампа определяются как:

,

(Б.10)

где:         - осадка штампа;

- координата точки поверхности основания, отсчитываемая от кромки штампа;

- обобщенная упругая характеристика основания лотка;

Величина нагрузки, воспринимаемая основанием лотка непосредственно под штампом, рассчитывается по формуле:

,

(Б.11)

где:         - длина штампа (по координате х), принимаемая единичной;

                - ширина (по координате y) штампа;

                - давление отпора основания под штампом;

Величина нагрузки, воспринимаемая основанием за пределами штампа:

.

(Б.12)

Сравнивая (Б.11) с (Б.12), найдем:

.

(Б.13)

Учитывая равенство отпора основания лотка полной нагрузке на штамп,

,

(Б.14)

найдем давление отпора основания под штампом:

,

(Б.15)

где:         - среднее давление активной нагрузки приложенной к штампу;

                - давление отпора основания лотка под штампом;

, где: - коэффициент сжатия постели;

- коэффициент сдвига постели; - модель Винклера.

Проанализировав сходства и различия процессов А и Б, приходим к выводу, что основным отличием, при прочих равных условиях, процессов А и Б являются зависимость плотности асфальтобетонной смеси в процессе Б от упругих характеристик основания (коэффициент в формуле Б.15). Следовательно, процессы А и Б могут считаться идентичными при условии адекватного учета упругости основания в процессе Б.

Идентичность процессов А и Б можно обеспечить с помощью корректирующих коэффициентов, определяемых с помощью экспериментальных зависимостей , аппроксимируемых в общем виде степенными функциями, соответственно .

Корректирующие коэффициенты:

Принимаем
,	(Б.16)
приравняем: ,	(Б.17)

где:         - плотность асфальтобетонной смеси;

                - коэффициенты экспериментальных зависимостей;

                - динамический критерий;

- давление прессования образца асфальтобетонной смеси принимается в соответствии с ГОСТ 12801-98 - или выбирается с помощью экспериментальной зависимости , составленной для исследуемой асфальтобетонной смеси, и тогда .

,

(Б.18)

- псевдостатическое давление виброуплотняющего оборудования на асфальтобетонную смесь , Н/см2, определямое как отношение силы тяжести виброуплотнителя (виброфомователя), в том числе  и дополнительных пригрузов, к площади уплотняемой поверхности образца асфальтобетонной смеси; - частота колебаний виброформователя, выражаемая через частоту тока, питающего приводной электродвигатель вибратора виброформователя, с-1.;

Полученное выражение (Б.18) при известных давлениях прессования образцов   и коэффициенте , характеризующем упругие свойства основания (постели) лотка, определяет величину динамического критерия , требуемую для получения нормативной плотности асфальтобетонной смеси водоотводного лотка.

Результаты экспериментов по виброформованию пробных образцов фиксировались с помощью системы измерений и контроля, в виде Протокола экспериментаЕ, содержащего всю необходимую информацию об эксперименте (рис. 11).

Протокол экспериментаЕ содержит также информацию, характеризующую процесс виброформования асфальтобетонной смеси в координатах время - абсолютная линейная деформация образца или иначе . Выполнив, с помощью компьютерной программы, обработку протоколов виброформования образцов асфальтобетонной смеси, составляются, по определенным правилам, таблицы исходных данных, по которым выполняется построение графиков зависимостей для различных типов асфальтобетонных смесей. С помощью экспериментов получены следующие результаты:

1. Экспериментальными исследованиями установлено, что на функцию отклика процесса виброформования и виброуплотнения асфальтобетонной смеси (т.е. на величину достигнутой плотности асфальтобетонной смеси) с высокой степенью достоверности влияют следующие аргументы: динамический критерий , динамическое давление , коэффициент режима . Причем это влияние распространяется как на виброформование пробных образцов асфальтобетонной смеси, так и на виброформование и виброуплотнение прикромочного водоотводного лотка.

где:        

- динамическое давление виброформующего оборудования на асфальтобетонную смесь, Н/см2, определяемое как отношение возмущающей силы вибровозбудителя виброформователя к площади уплотняемой поверхности асфальтобетонной смеси;

- коэффициент режима работы виброуплотняющего оборудования, .

Рис. 11. Пример типичного протокола виброформования цилиндрического пробного образца ∅105 мм из горячей плотной асфальтобетонной смеси ЩМА-15 ГОСТ 31015-2002.

Зависимости установлены для двух горячих и одной холодной асфальтобетонных смесей. Пример графиков зависимостей для горячей плотной щебёночно-мастичной асфальтобетонной смеси ЩМА-15 ГОСТ 31015-2002 представлен на рис. 12.

	Рис. 12. Графики зависимостей для горячей плотной щебёночно-мастичной асфальтобетонной смеси ЩМА-15 ГОСТ 31015-2002.

Аппроксимирующие выражения экспериментальных графиков зависимостей для исследованных асфальтобетонных смесей представлены ниже:

Аппроксимирующие выражения для зависимости : -        для горячей мелкозернистой асфальтобетонной смеси МЗС тип Г, марка 1 ГОСТ 9128-2009: = 1,0149*(стат.*)0,1314 при R=0,8523; -        для горячей плотной щебёночно-мастичной асфальтобетонной смеси ЩМА-15 ГОСТ 31015-2002: = 0,8605*(стат.*)0,1832 при R=0,8515; -        для холодной асфальтобетонной смеси тип Бх марка II ГОСТ 9128-2009: = 0,5478*(стат.*)0,2305 при R=0,8090.

Аппроксимирующие выражения для зависимости : -        для горячей мелкозернистой асфальтобетонной смеси МЗС тип Г, марка 1 ГОСТ 9128-2009: = 1,7907*дин.0,0564 при R = 0,7838; -        для горячей плотной щебёночно-мастичной асфальтобетонной смеси ЩМА-15 ГОСТ 31015-2002: = 1,9352*дин.0,0853 при R = 0,8529; -        для холодной асфальтобетонной смеси тип Бх марка II ГОСТ 9128-2009: = 1,6098*дин.0,0839 при R = 0,7512.

Аппроксимирующие выражения для зависимости : для горячей мелкозернистой асфальтобетонной смеси МЗС тип Г, марка 1 ГОСТ 9128-2009: = 2,0501*Креж.-0,062 при R = 0,8108; для горячей плотной щебёночно-мастичной асфальтобетонной смеси ЩМА-15 ГОСТ 31015-2002: = 2,3906*Kреж.-0,088 при R = 0,8771; для холодной асфальтобетонной смеси тип Бх марка II ГОСТ 9128-2009: = 1,9700*Kреж.-0,089 при R = 0,8110,

где:        R2 - величина достоверности аппроксимации, рассчитанная с помощью компьютерной программы Microsoft Excel.

2. Получено уравнение регрессии, которое позволяет выявить качественный и количественный характер изменения плотности уплотняемых пробных образцов (Y) асфальтобетонной смеси в зависимости от частоты тока , питающего электродвигатель вибровозбудителя виброформователя (x1), коэффициента режима работы виброформователя (x2) и динамического критерия (x3):

.

Управляемые факторы варьировались в следующих пределах:

= 16,6Е33,4 с-1; Креж. = 0,16Е1,84; (стат.*) = 132Е468 .

3. Экспериментально установлено влияние формы контактной поверхности пуансона виброформователя на характер распространения по массиву уплотняемого образца, импульсного силового воздействия генерируемого вибровозбудителем. Фиксация результатов осуществляется с помощью тензодатчика давления, установленного в донной части прямоугольного контейнера. В результате эксперимента (при реализации режима работы виброформователя - = 5Е40 Гц; дин. = 0,19Е12,22 Н/см2*с; Креж. = 10,21Е0,159) установлено (Рис. 13), что средний уровень сигнала тензодатчика, в условных единицах, составляет, в зависимости от формы пуансона, следующие значения: плоский пуансон - 1,0; пуансон с углом при вершине 152 - 0,94; полуцилиндр - 0,85.

4. Исследовано влияние скорости перемещения виброформующего оборудования на процесс уплотнения различных типов асфальтобетонных смесей.

Условно фиксированное время виброуплотнения смеси , согласно результатам исследований, принимается равным сек.

Пример графика зависимости приведен на рис. 14. Аппроксимирующие этот график выражения представлены ниже.

• Аппроксимирующие выражения при для горячей мелкозернистой асфальтобетонной смеси МЗС тип Г, марка 1 ГОСТ 9128-2009:

ид = 10 сек i=1,2842*(ст.*)0,0737  при R2 = 0,8540;

ид = 20 сек i=1,2464*(ст.*)0,0829  при R2 = 0,8523;

ид = 30 сек i=1,2165*(ст.*)0,0892  при R2 = 0,8621.

Рис. 13. Характеристика процесса силового воздействия виброуплотняемой асфальтобетонной смеси на тензодатчик давления (пуансон с углом при вершине 152).

Графики или аппроксимирующие эти графики зависимости позволяют определить для заданной скорости движения виброформующего оборудования, соответствующие ей скорости параметры работы вибровозбудителя, гарантирующие достижение требуемой плотности асфальтобетонной смеси за один рабочий проход. Внешний вид экспериментального прикромочного лотка показан на рис. 15.

5. На основании разработанной математической модели и выполненных экспериментальных исследований процессов виброформования как пробных образцов асфальтобетонной смеси, так и опытного прикромочного водоотводного лотка на поверхности имитатора участка дороги, разработаны методические рекомендации по проектированию и рациональному выбору параметров навесного оборудования для изготовления прикромочных водоотводных лотков из асфальтобетонной смеси.

Методические рекомендации представляют собой расчетно-графический алгоритм, позволяющий по результатам лабораторного определения плотности асфальтобетонной смеси в соответствии с ГОСТ 12801-98, рассчитать и назначить такие конструктивные и режимные параметры навесного оборудования, которые гарантируют заданную плотность при виброформовании асфальтобетонной смеси, идентичной исследованной в лабораторных условиях.

Рис. 14. График зависимости значений плотности образцов горячей асфальтобетонной смеси МЗС, тип Г, марка 1 по ГОСТ 9128-2009 от динамического критерия для различных дискретных .

Рекомендации распространяются на  проектирование виброуплотняющего оборудования, представляющего собой формующую виброплиту с профилированным днищем и предназначенную для изготовления прикромочных водоотводных лотков из асфальтобетонной смеси, кроме этого она может быть выполнена и с плоским днищем.

В четвертой главе представлены результаты экспериментально-производственных исследований. Опытно-промышленный образец агрегата для изготовления прикромочных водоотводных лотков из асфальтобетонной смеси спроектирован кафедрой СДМ ПНИПУ (ПермГТУ), с участием автора диссертации, по заказу ООО Дорос (г. Чернушка, Пермский край) и изготовлен силами ремонтных мастерских ООО Дорос. Агрегат состоит из базовой машины - колесного гидрофицированного асфальтоукладчика СД-404Б и кинематически связанного с ним дополнительного навесного оборудования, представляющего собой виброформователь прикромочного лотка.

Опытно-промышленный образец агрегата (рис. 17) для изготовления прикромочных водоотводных лотков из асфальтобетонных смесей был испытан в производственных условиях в августе-сентябре 2007  и в июле 2008 года при изготовлении прикромочных водоотводных лотков на участках автомобильных дорог Чернушка-Куеда и Барда-Куеда. В общей сложности было построено 1600 метров прикромочных лотков. Для изготовления лотков применялась асфальтобетонная смесь - горячая мелкозернистая МЗС, тип Г, марка 1 по ГОСТ 9128-2009.

Рабочая скорость перемещения асфальтоукладчика (соответственно,  навесного виброактивного оборудования)  составлялавп = 200,2 м/ч. Расчетное время уплотнения, реализуемое виброформователем, соответствовало  . Реализованы расчетные значения критериев: .

Рис. 15. Уплотненный, в форме прикромочного лотка, объем асфальтобетонной смеси холодной тип Бх марка II ГОСТ 9128-2009 на поверхности щебеночного основания имитатора участка автодороги. Уплотнение щебня выполнено только под лотком.

Результаты испытаний опытно-промышленного образца навесного виброактивного оборудования к асфальтоукладчику СД-404Б при строительстве прикромочных водоотводных лотков из горячей асфальтобетонной смеси МЗС, типа Г марки 1,  показали:

1. Работоспособность навесного оборудования, обеспечивающего производительность до 960 п.м в смену.
2. Изготовление водоотводного лотка осуществляется за один проход асфальтоукладчика.

Рис. 17. Испытания опытно-промышленного образца агрегата для изготовления прикромочных водоотводных лотков из асфальтобетонной смеси

3. Качество выполняемых технологических операций соответствует предъявляемым требованиям: отклонение размеров формы лотка не превышает  5-7%, плотности асфальтобетонной смеси 8-10%.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ВЫВОДЫ

Выполненные экспериментально-теоретические исследования процессов виброформования прикромочных водоотводных лотков из асфальтобетонной смеси позволяют сделать следующие выводы:

1. Разработана математическая модель процесса виброуплотнения прикромочных водоотводных лотков из асфальтобетонной смеси, идентифицирующая параметры процессов виброуплотнения пробных образцов.

Адекватность математической модели подтверждена сходимостью результатов полученных расчетным путем и в ходе производственного эксперимента при строительстве участка прикромочного водоотводного лотка. Величина отклонения результатов составляет до 10%.

2. Разработано, спроектировано и изготовлено экспериментальное оборудование, представленное двумя стендами для виброформования смеси в лабораторных условиях и опытно-промышленным образцом навесного оборудования к асфальтоукладчику. При этом стендовое оборудование, оснащенно контрольно-измерительной аппаратурой, позволяющей регистрировать параметры процесса изготовления образцов из асфальтобетонной смеси в контейнере стендовой установки, на который получен патент № 105741 от 20.06.2011.
3. Для оценки эффективности процесса уплотнения асфальтобетонной смеси виброактивным оборудованием предложены критерии:

1. Динамический критерий , характеризующий скорость изменения напряженного состояния уплотняемой среды и представляет произведение двух параметров, характеризующих конструктивные особенности виброформователя и режим его работы (частота колебания).
2. Коэффициент режима , характеризует динамику процесса уплотнения асфальтобетонной смеси (/<1- привалирует статический режим уплотнения; при />1- динамический режим уплотнения).

4. Установлены рациональные значения критериев эффективности при виброформовании, обеспечивающих требуемую плотность (ГОСТ 9128-2009):

1. горячей мелкозернистой асфальтобетонной смеси МЗС тип Г, марка 1 ГОСТ 9128-2009:

К дин = 400Е596 ; .

2. горячей плотной щебёночно-мастичной асфальтобетонной смеси ЩМА-15 ГОСТ 31015-2002:

; .

3. холодной асфальтобетонной смеси тип Бх марка II ГОСТ 9128-2009: 

; .

5. Установлено влияние формы контактной поверхности виброформующего оборудования на характер прохождения через массив асфальтобетонной смеси импульсов силового воздействия, генерируемых виброформователем. Выявлено постепенное уменьшение величины импульса силового воздействия, а соответственно и плотности смеси, при переходе от плоской контактной поверхности к треугольной и цилиндрической.

Уровень сигнала тензодатчика, регистрирующего величину импульса силового воздействия и плотность холодной асфальтобетонной смеси тип Бх марка II, составляет:

• для плоской поверхности: г/см3;
• для треугольной поверхности с углом при вершине 152 г/см3;
• для цилиндрической поверхности: г/см3.

6. Результаты испытаний промышленного навесного виброактивного оборудования к асфальтоукладчику для изготовления прикромочных водоотводных лотков из асфальтобетонных смесей показали работоспособность навесного оборудования обеспечивающего производительность до 960 п.м в смену. При этом качество выполняемых технологических операций соответствует предъявляемым требованиям: отклонение размеров формы лотка не превышает  5-7%, плотности асфальтобетонной смеси 8-10%.
7. Экономический эффект при изготовлении 1600 метров прикромочных водоотводных лотков из асфальтобетонной смеси на участках автодорог Чернушка-Куеда и Барда-Куеда составил 2 194 592 руб.
8. Разработаны и опубликованы (2011 г.) методические рекомендации по проектированию и рациональному выбору параметров навесного виброформующего оборудования для изготовления прикромочных водоотводных лотков из асфальтобетонной смеси. Рекомендации одобрены Министерством градостроительства и развития инфраструктуры Пермского края и внедряются в АСПК Уралсибспецстрой (г. Пермь, Пермского края, 2011 г.).

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

Статьи в журналах, включенных в перечень ВАК

1. М.В. Шардин Определение параметров процесса виброуплотнения прикромочных водоотводных лотков из асфальтобетона//Механизация строительства.- 2011- № 5- С 5-8.
2. М.В. Шардин Обоснование скоростного режима виброформователя прикромочных водоотводных лотков//Строительные и дорожные машины.- 2011.-№6 -С. 40-44.

Статьи в других печатных изданиях

3. М.В. Шардин, В.П. Шардин Навесное вибровальцовое устройство к катку ДУ-84 для изготовления водоотводного лотка из асфальтобетона по кромке дорожной одежды//Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации транспортных сооружений. Механизация строительства. Охрана окружающей среды// Материалы научно- техн. конф. автодорожного факультета Пермь, ПГТУ.- 2006.- С. 60-65.
4. М.В. Шардин Навесное вибровальцовое устройство для сооружения прикромочных водоотводных лотков из асфальтобетона/Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации транспортных сооружений// Материалы I Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых  Омск,  СибАДИ.- 2006.- С. 46-51.
5. М.В. Шардин, Л.Б. Белоногов, В.П. Шардин, Навесные виброактивные устройства для сооружения прикромочных водоотводных лотков из асфальтобетона//Мир Дорог № 22 .- 2006.- С. 68-72.
6. М.В. Шардин, Л.Б.Белоногов, В.П. Шардин О возможности создания средств механизации для изготовления прикромочных водоотводных лотков из асфальтобетона. Автотранспортный комплекс - проблемы и перспективы, экологическая безопасность// Материалы всероссийской научно-технической конференции. Пермь, ПГТУ.- 2007.- С. 237-249.
7. М.В. Шардин О возможности создания средств механизации для изготовления прикромочных водоотводных лотков из асфальтобетона. Развитие комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования // Материалы II Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых . Омск, СибАДИ.-2007.- С. 68-71.
8. М.В. Шардин, Б.С. Юшков Механизация работ при организации отвода воды с полотна автомобильной дороги. Экология и научно-технический прогресс // Материалы шестой международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Пермь, ПГТУ.-2007.- С. 71-76.
9. М.В. Шардин, Л.Б.Белоногов, В.П. Шардин Энерго- и ресурсосберегающие технологии изготовления прикромочных водоотводных лотков. Перспективы развития инноваций в энергоресурсосбережении // Материалы всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Пермь, ПГТУ.-2007.- Издание на электронном носителе.
10. М.В. Шардин Инновационные технологии при изготовлении прикромочных водоотводных лотков. //Межвузовский сборник трудов молодых ученых, аспирантов и студентов. Выпуск 5 / Омск, СибАДИ.-2008.- С. 338-347.
11. М.В. Шардин, Л.Б.Белоногов, В.П. Шардин Самоходный агрегат для изготовления прикромочных водоотводных лотков из асфальтобетона. Современное состояние и инновации транспортного комплекса // Материалы международной научно-технической конференции. Пермь, ПГТУ.-2008.-С. 200-204.
12. М.В. Шардин Экспериментальная установка для исследования процесса изготовления прикромочных водоотводных лотков из асфальтобетона.Развитие комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования // Материалы III Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Омск, СибАДИ.-2008.-С. 104-109.
13. М.В. Шардин, Б.С. Юшков Экспериментальная установка с формующей виброплитой для исследования процесса изготовления прикромочных водоотводных лотков из асфальтобетона. Актуальные проблемы транспортно-дорожного комплекса. Охрана окружающей среды // Молодежная секция сборника научных трудов. Пермь, ПГТУ.-2009.-С. 49-55.
14. М.В. Шардин Экспериментальная установка со сменными вибрационными формообразующими элементами для исследования процесса изготовления прикромочных водоотводных лотков из асфальтобетона. Состояние и перспективы транспорта. Обеспечение безопасности дорожного движения // Материалы международной научно-технической конференции. Пермь, ПГТУ.-2009.-С. 363-369.
15. М.В. Шардин Механизация процесса изготовления прикромочных водоотводных лотков из асфальтобетона. Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования // Материалы V Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых . Омск,  СибАДИ.-2010.- С. 4-7.
16. М.В. Шардин Применение виброактивного оборудования при изготовлении прикромочных водоотводных лотков из асфальтобетона.//Охрана окружающей среды, транспорт, безопасность жизнедеятельности Вестник ПГТУ. Пермь, ПГТУ.-2010 №1.-С. 65-69.а
17. М.В. Шардин Система измерений и контроля экспериментальной установки по исследованию виброактивного способа изготовления прикромочных водоотводных лотков из асфальтобетона. Инновации в транспортном комплексе. Безопасность движения. Охрана окружающей среды //Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 65-летию Победы советского народа в Великой Отечественной войне. Пермь, ПГТУ.-2010.- С. 173-176.
18. М.В. Шардин, Л.Б. Белоногов, В.П. Шардин Определение оптимальной скорости движения виброформующего оборудования прикромочных водоотводных лотков из асфальтобетона.// Охрана окружающей среды, транспорт, безопасность жизнедеятельности Вестник ПГТУ .Пермь, ПГТУ.-2011 № 1.- С. 124-135.

Патенты

19. Патент на полезную модель № 105741 Устройство для формирования модельных образцов асфальтобетонной смеси/Приоритет полезной модели 20 января 2011 г. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 20 июня 2011 г. В.П. Шардин, М.В. Шардин, Б.С. Юшков.

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям