Разработка конструктивной схемы и обоснование параметров асимметричных планетарных вибровозбудителей для дорожных катков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.04, кандидат технических наук Кузнецов, Павел Сергеевич

• Кузнецов, Павел Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кузнецов, Павел Сергеевич

Введение

Глава 1 Обзор и анализ технических решений и исследований в области планетарных вибровозбудителей вибрационных катков. Цели и задачи исследований

1.1 Методы и средства уплотнения грунтов

1.2 Особенности вибрационных катков и их применение в строительстве

1.3 Обзор и анализ патентных и технических решений в области асимметричных планетарных вибровозбудителей

1.4 Обзор и анализ патентных и технических решений планетарных вибровозбудителей в виброкатках

1.5 Обзор исследований рабочего процесса планетарных вибровозбудителей

1.6 Выводы по главе. Цели и задачи исследований

Глава2 Теоретические исследования и анализ рабочего процесса асимметричного планетарного вибровозбудителя с эллиптической беговой дорожкой

2.1 Анализ структурной схемы и теоретические исследования кинематических параметров асимметричного планетарного вибровозбудителя с эллиптической беговой дорожкой

2.2 Применение теории синтеза и анализа кулачковых механизмов для исследования эффективности работы асимметричного планетарного вибровозбудителя с эллиптической беговой дорожкой

2.3 Определение вынуждающей силы асимметричного планетарного вибровозбудителя с эллиптической беговой дорожкой

2.4 Определение угловых координат проскальзывания асимметричного планетарного вибровозбудителя с эллиптической беговой дорожкой

2.5 Определение средней потребляемой за цикл мощности асимметричного планетарного вибровозбудителя с эллиптической беговой дорожкой

2.6 Исследование влияния основных параметров асимметричного планетарного вибровозбудителя на его динамические характеристики

2.7 Исследование физического моделирования асимметричного планетарного вибровозбудителя с эллиптической беговой дорожкой

Выводы по главе

ГлаваЗ Методика экспериментальных исследований эффективности использования асимметричных планетарных вибровозбудителей с эллиптической беговой дорожкой

Глава

Анализ результатов экспериментальных исследований асимметричного планетарного вибровозбудителя с эллиптической беговой дорожкой

Анализ однофакторного эксперимента 113 Анализ двухфакторного эксперимента 117 Анализ трехфакторного эксперимента 125 Анализ уравнений регрессии 130 Сравнительная оценка результатов теоретических вычислений и экспериментальных исследований асимметричного планетарного вибровозбудителя 131 Выводы по главе

Глава5 Рекомендации по проектированию, выбор конструкции и определение эффективности вибрационного катка с асимметричным планетарным вибровозбудителем

5.1 Рекомендации по выбору рациональной конструкции асимметричного планетарного вибровозбудителя для вибрационного катка

5.2 Анализ технико-экономической эффективности вибрационного катка с асимметричным планетарным вибровозбудителем

5.3 Методика расчета параметров асимметричного планетарного вибровозбудителя с эллиптической беговой дорожкой

5.4 Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка конструктивной схемы и обоснование параметров асимметричных планетарных вибровозбудителей для дорожных катков»

В настоящее время дорожное строительство развивается в направлении увеличения прочности и долговечности автомобильных дорог. Это направление обуславливает повышение эффективности использования средств механизации, занятых в строительном процессе, за счет интенсификации и качества производства работ.

Уплотнение является одной из важнейших технологической операцией, поскольку она вцелом определяет надежность, прочность и долговечность всей дорожной конструкции.

Цель уплотнения заключается в получении плотной и прочной структуры уплотненной среды, способной в дальнейшем противостоять внешним силовым и природно-климатическим факторам, которые будут иметь место в процессе эксплуатации дорог.

Недоуплотнение ведет к многочисленным повреждениям и деформациям, а следовательно к непродуктивным затратам людских, материальных и энергетических ресурса. Вместе с этим уплотнение является сравнительно недорогим процессом. Так затраты на его осуществление составляют всего до 3,0% от общей стоимости автомобильной дороги.

Эффективность работы уплотняющих средств определяется их параметрами и режимами работы. Важной характеристикой этого процесса являются возникающие контактные давления на границе "рабочий орган катка - уплотняемая среда". С ростом плотности в процессе уплотнения необходимо увеличивать значения этих давлений для дальнейшего образования остаточных (вязко-пластических) деформаций. Интенсивность их течения оказывает влияние на производительность уплотняющих средств и качество выполняемых работ.

Актуальность работы. В существующем парке уплотняющих средств наибольшее применение получили вибрационные катки. Перспективным направлением в этой группе машин являются вибрационные катки, оснащенные асимметричным планетарным вибровозбудителем (АПВ),который позволяет получать более высокие значения вынуждающей силы по сравнению с центробежным вибратором (при одной и той же массе)и регулировать ее значение в процессе уплотнения материалов.

Таким образом, несмотря на существенную работу, проведенную в области виброуплотнения, вопросы дальнейшего совершенствования конструкций вибровозбудителей и определение их рациональных параметров работы являются актуальными, поскольку они связаны с созданием надежной сети автомобильных дорог, обеспечивающей безопасное и комфортное движение автотранспорта.

Это определило тему данной диссертационной работы, характер и структуру теоретических и экспериментальных исследований.

Методика исследований представляет собой комплекс эмпирических и аналитических методов исследования. Решение поставленных задач базируется на экспериментальных и известных положениях механики, теории колебаний, методах математического моделирования и статистики, методах обработки результатов исследований с помощью ЭВМ.

Научная новизна диссертации определяется:

- разработке классификации АПВ;

- математической моделью АПВ с эллиптической беговой дорожкой для различных вариантов установки оси вращения водила;

- результатах экспериментальных исследований и регрессионных зависимостях вынуждающей силы АПВ с эллиптической беговой дорожкой от величины эксцентриситета беговой дорожки, угловой скорости водила, массы инерционного бегунка, и варианта установки оси вращения водила;

- методикой аналитического определения граничных условий проскальзывания инерционного бегунка АПВ;

Практическая полезность полученных в диссертации научных результатов определяется:

- рациональной конструкцией АПВ для использования уплотнения дорожно-строительных материалов (грунт, щебень, асфальтобетон);

- методикой расчета параметров АПВ с эллиптической беговой дорожкой;

- методикой обоснования основных параметров АПВ с эллиптической беговой дорожкой, установленных на дорожных катках;

- результатами технико-экономического анализа эффективности вибрационного катка, оборудованного АПВ с эллиптической беговой дорожкой.

Реализация работы. Опытные образцы катков, с направленной вынуждающей силой были внедрены в ТОО «Лик-СМУ» в г. Усть-Каменогорске (РК) в 2005 г. Это прицепные вибрационные катки с планетарными асимметричными вибровозбудителями направленного действия для укатки грунтов и щебня (2 шт.). Опытная конструкция вибровальца по пат. РФ на полезную модель № 53300 была применена при ремонте а/дороги «Крутиха-Пакрушиха-Хабары-Славгород» в 2008 году и мостового перехода через р. Чистюнька на км. 74+645 а/дороги «Троицкое-Целинное» в 2007 году. Планетарным вибровозбудителем с эллиптической беговой дорожкой был дооборудован валец навесного на тракторе МТЗ-80 катка и валец ручного дорожного катка массой 120 кг. Основные положения используются в курсовом и дипломном проектировании по специальности 270113 (291300) «Механизация и автоматизация строительства» АлтГТУ им. Ползунова И.И.

На защиту выносятся:

- математическая модель АПВ с эллиптической беговой дорожкой для различных вариантов установки оси вращения водила;

- методика аналитического определения граничных условий проскальзывания инерционного бегунка АПВ;

- результаты экспериментальных исследований и регрессионные зависимости вынуждающей силы АПВ с эллиптической беговой дорожкой от частоты круговых колебаний, массы инерционного бегунка, эксцентриситета эллиптической дорожки и варианта установки оси вращения инерционного бегунка;

- рекомендации по обоснованию основных параметров АПВ с эллиптической беговой дорожкой, установленных на дорожных катках.

Достоверность научных положений подтверждается корректностью применения апробированного математического аппарата обработки результатов исследования, достаточным объемом экспериментов, проведенных с использованием поверенных приборов и оборудования, согласованностью аналитических расчетов с экспериментальными данными.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на научно-технических конференциях: «Индустриально-инновационная политика - новый этап развития Казахстана» (г. Усть-Каменогорск, 6-8 ноября 2003 г.); «Проблемы трансграничного загрязнения территорий» (г. Усть-Каменогорск, 5-6 октября 2004 г; «Дорожный комплекс как основа рационального природопользования» (г. Омск, 23-25 ноября 2004 г.); «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования» (г. Омск, 21-22 мая 2008 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 печатных работ из них 2 работы опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка использованной литературы, состоящего из 112 наименований, 3-х приложений. Общий объём работы составляет 195 е., в том числе основной текст 164 е., 112 рисунков и 18 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины», Кузнецов, Павел Сергеевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ. ЗАДАЧИ ДАЛЬНЕЙШИХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

Проведенные экспериментально-теоретические исследования позволяют сформулировать следующие выводы и рекомендации:

1. Результаты аналитических и экспериментальных исследований показали, что установка асимметричных планетарных вибровозбудителей (АПВ) на виброкатках позволяет повысить эффективность уплотнения дорожно-строительных материалов, вследствие увеличения в 1,5 — 2,0 раза генерируемую направленную вынуждающую силу (при неизменных габаритах и массе вибровозбудителя), по сравнению с аналогичным вибровозбудителем, оборудованным круглой беговой дорожкой.

2. Разработана классификация асимметричных планетарных вибровозбудителей.

3. Установлено, что величина вынуждающей силы зависит от эксцентриситета беговой дорожки, массы инерционного бегунка и угловой скорости вращения водила. Её максимальное значение достигается при установке оси вращения водила в одном из фокусов беговой дорожки, в этом случае вынуждающая сила в 2,2 - 2,4 раза больше, нежели при центральном расположении оси водила. При этом величина эксцентриситета беговой дорожки не должна превышать 0,35-0,45.

4. Установка оси фокусов вертикально позволяет регулировать направление вынуждающей силы. Наибольший эффект уплотнения дорожно-строительных материалов достигается при установке оси водила в левом фокусе беговой дорожки. В этом случае, максимальное значение вынуждающей силы ориентировано в сторону уплотняемой среды, в правом фокусе — в противоположную сторону. Регулирование направлением вынуждающей силы достигается изменением угла установки оси фокусов.

5. Увеличение эксцентриситета беговой дорожки, массы инерционного бегунка и угловой скорости вращения водила вызывает рост вынуждающей силы, в первом и втором случаях пропорционально, во втором — в геометрической прогрессии.

6. Получены регрессионные уравнения для определения вынуждающей силы в зависимости от эксцентриситета беговой дорожки, массы инерционного бегунка и угловой скорости вращения водила.

7. Разработана математическая модель АПВ с эллиптической беговой дорожкой, адекватно описывающая зависимость вынуждающей силы от конструктивных и режимных параметров АПВ и места установки оси вращения водила.

8. Разработан метод расчета критических углов проскальзывания инерционного бегунка по поверхности эллиптической беговой дорожки, позволяющий рациональным образом осуществить выбор конструктивных параметров эллиптического планетарного вибровозбудителя и места установки оси вращения водила.

9. Разработана рациональная конструктивная схема АПВ с эллиптической беговой дорожкой.

10.Отклонение значений параметров АПВ, определенных аналитическим путем, и экспериментальных составляет 8,64—18,22 %. Наибольшие отклонения результатов наблюдаются в интервалах 60° < ср < 100° и 250° < ф < 300° угла поворота водила относительно оси симметрии вибровозбудителя.

11 .Разработаны перспективные конструкции (патент РФ № 53300, патент РК № 16693, патент РК № 18131), которые позволяют не только резко повысить производительность, снизить энерго- и металлоемкость процесса уплотнения, но и дает возможность произвести дальнейшее совершенствование процесса устройства асфальтобетонных покрытий дорожным комплексом.

12. При установке асимметричного планетарного вибровозбудителя на дорожный каток массой 8 т полученный годовой экономический эффект составляет 184000 рублей на одну машину.

Задачами дальнейших исследований являются: теоретическая и экспериментальная оценка эффективности вибровозбудителей с некруглой беговой дорожкой (овальной, эллиптической, овоидной и т.п. формы); совершенствование конструкции водила асимметричного планетарного вибровозбудителя; разработка мероприятий по дальнейшему совершенствованию конструкций асимметричных планетарных вибровозбудителей, направленных на увеличение вынуждающей силы, КПД и надёжности, снижение динамической на-груженности привода; разработка рациональных конструкций вибрационных катков с асимметричными планетарными вибровозбудителями; оценка влияния асимметричных планетарных вибровозбудителей на эргономические характеристики вибрационных катков.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кузнецов, Павел Сергеевич, 2008 год

1. Бируля, А. К. Деформация и уплотнение грунта при качении колеса / А. К. Бируля // Труды / Харьк. автомоб.-дорож. ин-т. — 1950. - Вып. 6.- С. 7-11.

2. Калужский, Я. А. Теория укатки грунтовых слоёв земляного полотна и дорожных машин со средой : автореф. дис. . д-ра техн. наук: 05.05.04 / Я. А. Калужский.- Харьков, 1956. — 28 с.

3. Обоснование и исследование конструкции ведущего вальца самоходного катка с переменной кривизной в зоне уплотнения: отчет о НИР (заключит.) / МАДИ; Рук. темы Г. С. Маслов. -М., 1988. 89 с.

4. Форсблад, JI. Вибрационное уплотнение грунтов и оснований / JI Форсблад; пер. с англ. И. В. Гагариной. — М.: Транспорт, 1987. —188 с.

5. Пермяков, В. Б. Обоснование выбора параметров вибрационных катков / В. Б. Пермяков, А. В. Захаренко, С. В. Савельев // Изв. вузов. Строительство. -2003. №2.-С. 100-103.

6. Транспортно-технологические машины и комплексы (производственная и технологическая эксплуатация): учебное пособие / В. Б. Пермяков, В. И. Иванов, С. В. Мельник и др.; под общ. ред. В. Б. Пермякова. — Омск: Изд-во СибАДИ, 2007. -440 с.

7. Уплотняющие машины: пособие по выбору оборудования для уплотнения грунтов и асфальтобетонных смесей (на примере машин выпускаемых ЗАО «Раскат», г. Рыбинск) / В. П. Ложечко, А. А. Шестопалов, В. И. Окунев и др. — Рыбинск: Раскат, 2004. — 80 с.

8. Хархута, Н. Я. Методы и средства уплотнения асфальтобетонных дорожных покрытий / Н. Я. Хархута // Исследование рабочих процессов строительных и дорожных машин: межвуз. сб. науч. тр. — Ярославль: ЯПИ,1983. — С.12-15.

9. Ломанов, Ф. К. Укатка асфальтобетонных покрытий / Ф. К. Ломанов, — М.: Дориздат,1983.- 80 с.

10. Иванов, И. И. Пути повышения прочности и долговечности черных покрытий / И. И. Иванов // Строительство дорог.- 1947.- №5.- С. 13-15.

11. Хархута, Н. Я. Машины для уплотнения грунтов / Н. Я. Хархута. — Л.: Машиностроение, 1973.- 175 с.

12. Коваленко, Ю. Я. Исследование самоходных вибрационных катков для уплотнения асфальтобетонных смесей: дис. . канд. техн. наук / Ю. Я. Коваленко. —Л., 1979. — 153 с.

13. Дорожные машины. Теория, конструкция и расчет: учебник для ВУЗов / Н.Я. Хархута и др.- 2-е изд., доп. и перераб. — Л.: Машиностроение, 1976.472 с.

14. Эффективное уплотнение фунта с помощью виброкатков // Дорожные машины. — 2002. №2. - С. 19-22.

15. Дубровин, А. Е. Определение эффективных частот колебаний рабочего органа виброуплотнителя / А.Е. Дубровин // Исследования параметров и расчеты дорожно-строительных машин. — Саратов, 1972. — Вып. 52. — С. 40-43.

16. Дульянинов, А. В. О колеблющейся массе вибрационных машин/ А.В Дульянинов, М.И. Капустин // Повышение использования машин в строительстве.-Л.: ЛИСИ, 1983 —С. 10-14.

17. Тимошенко, С. П. Колебания в инженерном деле / С. П. Тимошенко, Д. X. Янг, У. Уивер; под ред. Э. И. Григолюка; пер. с англ. Л. Г. Корнейчука — М.: Машиностроение, 1985.- 472 с.

18. Борадочёв, И. П. Дорожные машины / И. П Борадочёв, В. А. Васильев.— М.: Машгиз, 1953.-506 с.

19. Попов, Г. Н. Исследование и обоснование параметров вибрационных катков для уплотнения грунтов: дис. . канд. техн. наук / Г. Н. Попов. — М, 1970.-182 с.

20. Попов, Г. Н. Качественное уплотнение и рациональные параметры уплотняющих машин / Г. Н. Попов // Строительные и дорожные машины. — 1992.-№ 6.-С. 13-15.

21. Попов, Г. Н. Оптимизация динамических параметров строительных и дорожных машин ударного и ударно-вибрационного действия: автореф. дис. . докт. техн. наук. -М: МИСИ, 1989 -32 с.

22. Беляев, К. В. Разработка энергоэффективных методов работы машин для уплотнения асфальто-бетонных смесей: дис. . канд. техн. наук / К. В. Беляев. — Омск, 2004. —174 с.

23. Пермяков, В. Б. Совершенствование теории, методов расчёта и конструкций машин для уплотнения асфальто-бетонных смесей: дис. . докт. техн. наук / В. Б. Пермяков — Омск, 1992. — 412 с.

24. Теория и расчеты основных параметров: в 3 ч. Ч.З: Уплотняющие машины в строительстве и производстве строительных изделий / С. В. Жиркович, П. И. Наумец. — Куйбышев, 1962. — 444 с.

25. Калужский, Я. А. Уплотнение земляного полотна и дорожных одежд: учеб. пособие / Я. А. Калужский, О. Т. Батраков. — М.: Транспорт, 1970. —160 с.

26. Савельев, С. В. Обоснование режимных параметров вибрационного гидрошинного катка для уплотнения грунтов: дис. .канд. техн. наук / С. В.Савельев. — Омск, 2004. —173 с.

27. Справочник конструктора дорожных машин / под ред. И. П. Бородачева. — М.: Машиностроение, 1973. — С.261-266.30.