Определение параметров асимметричных планетарных вибровозбудителей для дорожных катков

При строительстве автомобильных дорог и других инженерных сооружений значительный объем работ составляет работы связанные с уплотнением грунтов и других материалов, причем качество уплотнения непосредственно влияет на надежность и долговечность сооружений, что может быть оценено соответствующим технико-экономическим расчетом.

В настоящее время разработаны требования к плотности грунтов основных земляных инженерных сооружений. Так например, для земляного полотна автомобильных дорог плотность грунта верхних слоев должна быть не ниже 0,98−1,00, а для нижних слоев 0,95 достигнуть такую плотность можно лишь при использовании специальных высокоэффективных уплотняющих машин.

В настоящее время в строительстве все большее распространение получают вибрационные машины, основные преимущества которых по сравнению со статическими состоят: в более высокой призводитель-ностив меньшем расходе металла — в 4−12 разв меньших эксплуатационных расходахв большинстве случаев динамическое уплотнение грунта является качественнее и эффективнее.

В настоящее время свыше 25 фирм ведущих стран мира производят вибрационные катки, как для внутреннего, так и для внешнего рынка. В Россий работу по созданию вибрационных катков ведет Рыбинский завод дорожных машин «РАСКАТ» совместно с МГАДИ.

Вопросом проектирования, исследования и оптимизации параметров вибрационных катков и вибрационного уплотнения грунта, посвящены научные работы в НПО «ВНИИстройдормаш», МИСИ, ЦНИИС Минстроя, МГАДИ, СибАДИ и других организаций. Здесь следует отметить работы таких ученых как: Баловнев В. И., Маслов Н. Н. Коломенского В.Н., Доценко Н. Я., Красний Ю. М., Швец В. Б. Клейн Г. К. Ушаков Г. А. Хар-хута Н.Я., Грубник Б. А., Шехтер О. Я., Белостоцкий Б. А., Кустарев Г. В., Баркан Д. Д., Ермилов А. Б., Бобилев A.M., Быруля В. И., Недорезов И. А., Цетлин С. Б., Филипов Б. И., и других.

Несмотря на проведенных работ, нельзя не отметить недостаточное освещение конструктивных схем и параметров асиметричных планетарных вибровозбудителей.

Поиск новых эффективных способов уплотнения грунтов имеет важное значение, а создание на их основе высокопроизводительных уплотняющих машин является актуальной задачей.

Из существующих сейчас уплотняющих машин наиболее перспективными и универсальными являются вибрационные катки, при том широкое применение для возбуждения механических колебаний получили центробежные вибровозбудители, которые создают инерционные силы (моменты) за счет вращения неуравновешенных элементов, в том числе вибровозбудители планетарного типа. Использование их в дорожном строительстве является одним из эффективных методов повышения производительности уплотняющих машин. Вместе с тем планетарные вибровозбудители еще не нашли широкого применения. Причин подобного положения несколько, и одна из них заключается в несовершенстве существующих методов расчета параметров планетарных вибромашин. Усовершенствовать методы расчета, можно на основе комплексного исследования эффективности планетарных вибровозбудителей и взаимодействия вибрационного катка с асимметричным планетарным вибровозбудителем во взоимодействии с уплотняемым материалом.

Актуальность данного направления исследований определяется: увеличением объемов работ по уплотнению грунтов и других дорожно-строительных материалов, которые выполняются вибрационными каткамисущественным увеличением эффективности уплотнения материала вибрационными катками по сравнению с катками статического действиявозможностью повышения эффективности уплотнения за счет увеличения энергонасыщенности катков без увеличения их материалоемкостирасширением области эффективного использования катков при уплотнении различных типов дорожно-строительных материаловцелеiO сообразностью использования таких перспективных механизмов, в качестве вибровозбудителей на дорожных катках, как планетарные вибровозбудители, в том числе асимметричные планетарные вибровозбудители, которые отличаются более высоким уровнем динамических параметров.

Параметры вибрационных катков выбирают применительно к конкретным условиям, при этом в первую очередь учитывают физико-меха-нические свойства грунта и характер объекта. Критерием, которым необходимо руководствоваться при выборе оптимального варианта, служит возможность достижения требуемой плотности при минимальной стоимости уплотнения единицы объема грунта и обеспечении требуемого качества поверхности.

В таблице П. 1 приведено сопоставление технико-экономических показателей дорожных катков при уплотнении различных дорожно-строительных материалов. На основании данных этой таблицы можно заключить следующее: при уплотнеии каменной наброски и зернистых грутов вибрационными катками расход энергии из расчета на 1 м уплотняемой насыпи незначителен и составляет от 0,08 до 0,14 кВт ч/м. При этом прицепные катки расходуют на 20−30% энергии больше, совместно тягач и каток, чем самоходные. На зернистых грунтах у статических катков расход энергии вдвое выше, чем у самоходных вибрационных катков. Глину уплотняют более тонкими слоями, и расход энергии здесь выше, причем самые низкие значения относятся к самоходным вибрационным и статическим каткам с плоскими кулачками типа «опорная площадка». Уплотнеение асфальтобетона ведется тонкими слоями, при этом расход энергии довольно высок — 1 кВт ч/м и выше.

Таким образом, при проектировании новой техники необходимо детально проанализировать преимущества и недостатки оригинальных технических решений, обращая особое внимание на производительность, достигаемую данным образом, качество уплотнения материала при минимальной стоимости изготовления и обслуживания в процессе эксплуатации.

Л Основной задачей исследования является Определение рациональной конструкции, параметров и режимов работы асимметричных планетарных вибровозбудителей дорожно-строительных машин, выявление наиболее эффективного устройства противоскольжения, установление областей его рационального использования. Определение эффективности уплотнения грунта вибро-катком с асимметричным планетарным вибровозбудителем. Описание принципиально нового процесса вертикальных колебаний. Результаты теоретических и экспериментальных исследований по определению рациональных параметров и режимов работы вибрационного катка с планетарным асимметричным вибровозбудителем. Описание процесса работы асимметричного планетарного вибровозбудителя оборудованного поводковым водилом и с маятниковым устройством противоскольжения. Методика физического моделирования ^ и режимов работы вибрационного катка с асимметричным планетарным вибровозбудителем. Рекомендации по выбору рациональной конструкции вибрационного вальца с планетарным асимметричным вибровозбудителем. Оценка эксплуатационной производительности при выполнении рассредоточенных объемов работ.

На защиту выносятся:

— описание процесса вертикальных колебании;

— результаты теоретических и экспериментальных исследовании по определению рациональных параметров и режимов работы вибрационного катка с АПВВ-ем;

— описание процесса работы АПВВ оборудованного поводковым водилом и с маятниковым устройством противоскольжения;

— методика инженерного расчета рациональных параметров и режимов работы вибрационного катка с АПВВ-м;

— рекомендации по выбору рациональной конструкции вибрационного вальца с АПВВ-м.

6. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Для использования на вибрационных катках наиболее перспективными являются асимметричные планетарные вибровозбудители, которые обеспечивают движение инерционных бегунков по кольцевой беговой дорожке с переменным радиусом относительно эксцентрично рас-положеного водила при постоянной или переменной угловой скорости движения бегунков.

Действующая на бегунок кориолисова сила обеспечивает спонтанный крутящий момент бегунка, вызывающий проскальзывание (пробуксовку или юз) бегунка по беговой дорожке в пределах определенных зон траектории движения, что является негативным фактором, приводящим к резкому росту энергоемкости и теплонапряженности вибровозбудителя.

2. Разработаны и экспериментально исследованы конструкции маятниковых устройств противоскольжения инерционного бегунка, обеспечивающих его автоматическое прижатие к поверхности беговой дорожки в функции увеличения кориолисовой силы и спонтанного крутящего момента от действия этой силыинерционная масса при этом сосредоточена в основном в грузе маятникового устройства, перемещающемся за пределами беговой дорожки, а бегунок служит преимущественно для задания закона асимметричного движения интегральной инерционной массы по замкнутой траектории. Конструкции вибровозбудителей с маятниковыми устройствами противоскольжения позволяют уменьшить радиус беговой дорожки, технологичны и удобны для компоновки внутри вальца вибрационного катка.

3. В асимметричных планетарных вибровозбудителях целесообразно использовать поводковое (кулисное) водило с радиальным пазом под ось бегункаинерционный бегунок — сплошной веретенообразной конструкции. Применение на бегунке подшипников качения исключено вследствие большой частоты вращения и высокой теплонапряженностииспользование подшипников скольжения возможно только при наличии больших тепловых зазоров, закрытого типа, снабженных надежной системой охлаждения смазки. Полностью исключено показание смазки на поверхность беговой дорожки.

4. При уплотнении материала вибрационным катком с использованием асимметричного планетарного вибровозбудителя эксцентриситет водила относительно центра кривизны беговой дорожки вибровозбудителя должен быть ориентирован в сторону поверхности уплотняемого материала, что обеспечивает действие импульса вынуждающей силы и ее интегральной величины во времени в сторону указанной поверхности. Для эффективного увеличения интегральной вынуждающей силы асимметричного планетарного вибровозбудителя удельный эксцентриситет водила должен соответствовать величине отношения радиуса беговой дорожки к эксцентриситету Ке> 3.

5. Маятниковое устройство противоскольжения обеспечивает увеличение удельной вынуждающей силы вибровозбудителя на 20−60^ при массе маятника, составляющей 40−60% массы бегунка, за счет увеличения суммарной кориолисовой силы, действующей на инерционный бегунок и маятник, и уменьшения проскальзывания инерционного бегунка по беговой дорожке, т. е. снижение диссипативного рассеивания части энергии привода вибровозбудителя.

6. При увеличении частоты вращения вибровозбудителя от нуля до номинального значения наступает резонанс колебаний, который соответствует определенным частотам вращения в зависимости от жесткости связей асимметричного планетарного вибровозбудителя с системой базирования, например, вибрационным вальцем катка. Поэтому жесткость соединения асимметричного планетарного вибровозбудителя с вибрационным вальцем катка должна обеспечивать резонансные колебания уплотняющей системы в целом при достижении номинальной частоты вращения водила, которая соответствует заданной величине вынуждающей силы, что позволяет уменьшить диссипативные потери энергии привода вибровозбудителя при достижении или преодолении резонансных зон по частоте вращения водила и может обеспечить плавный вывод вибровозбудителя на номинальный режим работы, а также снижает вероятность поломки вибровозбудителя при преодолении резонансных зон и повышает в целом его надежность.

7. Вынуждающая сила асимметричного планетарного вибровозбудителя параболически зависит от величины массы маятникового устройства противоскольжения с четко выраженным экстремумом. Это позволяет определить характер изменения величины вынуждающей силы в функции угловой скорости водила при оптимальных значениях массы маятникового устройства противоскольжения и осуществлять обоснованный выбор указанной массы при проектировании асимметричных планетарных вибровозбудителей. Уменьшение массы бегунка и увеличение массы маятника при постоянной их сумме уменьшает радиус окружности качения бегунка, центральный угол зон проскальзывания и суммарную энергоемкость, что определяет целесообразность использования маятниковых устройств противоскольжения на асимметричном планетарном вибровозбудителе.

8. При уплотнении грунта физической моделью виброкатка с асимметричным планетарным вибровозбудителем величина целевой функции — статического давления, регистрируемого месдозами на различной глубине, параболически зависит от угловой скорости водила и интегральной инерционной массы бегунка и устройства противоскольжения. Зарегистрированные экстремальные точки по максимуму статического давления при вариации угловой скорости и интегральной инерционной массы характеризуются резонансным состоянием комплексной рабочей системы (вибровозбудитель — вибровалец — грунт). При увеличении скорости движения катка величина статического давления внутри грунта на различной глубине гиперболически уменьшается, что связано с уменьшением времени воздействия вибровальца на элементарный объем внутри массива уплотняемого грунта и смещением вверх, в сторону дневной поверхности грунта, эквипотенциальных поверхностей статических напряжений сжатия грунта.

9. Сравнительный анализ процессов уплотнения грунта виброкатком с симметричным и асимметричным планетарными вибровозбудителями показывает, что эксцентричное смещение водила вибровозбудителя обеспечивает увеличение статического давления в верхних слоях грунта на 25−30/S и в нижних слоях грунта на 10—15^ при неизменных статической массе катка и энергоемкости процесса уплотнения. Это объясняется как более интенсивным уплотнением верхних слоев грунта, так и ростом суммарной силы воздействия на грунт статического веса катка и интегральной вертикальной составляющей вынуждающей силы асимметричного планетарного вибровозбудителя. Данный эффект целесообразно реализовать для увеличения производительности виброкатка как путем увеличения толщины уплотняемого материала, так и за счет сокращения количества проходов катка для достижения заданного коэффициента уплотнения материала.

10. При переходе от параметров физической модели вибровозбудителя и ее целевой функции — вынуждающей силы к параметрам натурного вибровальца определяющим является критерий Фруда, как отношение сил инерции системы к силам веса, что позволяет получить формулы перехода от параметров модели к параметрам натуры. При физическом моделировании процесса уплотнения материала вибрационным катком определяющим является критерий подобия, характеризуемый отношением суммарного давления вальца катка на материал, которое зависит от совместного действия статического веса катка и динамической вынуждающей силы вибровозбудителя, к предельному давлению сжатия, обеспечивающему эффективное уплотнение материала до наступления вязкопластического выдавливания последнего. Различный вид критериев подобия для вибровозбудителя и вибрационного катка определяет различные масштабы моделирования этих систем, причем линейный масштаб вибровозбудителя увеличивается менее интенсивно с ростом линейного масштаба катка по закону Kt, т. е. чем больше валейц катка, тем меньше по отношению к нему размеры и масса вибровозбудителя.

11. При установке асимметричного планетарного вибровозбудителя на дорожный каток класса 6 т возможно получение годового экономического эффекта до 6500 руб. по расценкам 1990 г. на одну машину за счет уменьшения собственной массы катка при сохранении эффективности уплотнения материалов, увеличения толщины уплотняемого слоя материала, а также уменьшения количества проходов катка до достижения заданного коэффициента уплотнения материала.