Идентификация динамической системы процесса уплотнения асфальтобетонной смеси дорожными катками Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 5 (2011 4) 557-566

УДК 625.76

Идентификация динамической системы процесса уплотнения асфальтобетонной смеси дорожными катками

В.И. Иванчура, А.П. Прокопьев*, О.Г. Клевцова

Сибирский федеральный университет, Россия, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79 1

Received 4.10.2011, received in revised form 11.10.2011, accepted 18.10.2011

Представлена имитационная модель уплотняемой смеси с применением программы MATLAB/ Simulink, системы компьютерного моделирования рабочего процесса вибрационного катка. Приведены зависимости контактного давления вальца, абсолютной деформации смеси, ускорения изменения деформации смеси от времени контакта вальца катка с уплотняемой смесью.

Получены графические зависимости результатов обработки данных имитационного моделирования на основе регрессионного анализа средствами MS Excel. Результаты работы могут использоваться при идентификации параметров асфальтобетонной смеси и параметров вибрации для целей автоматизации процесса уплотнения и соответствующего выбора датчиков информации о состоянии уплотняемой смеси.

Ключевые слова: асфальтобетонная смесь, вибрационный каток, имитационное моделирование, регрессионный анализ, степень уплотнения, деформация, релаксация напряжений.

Введение

В дорожном строительстве широкое распространение получили вибрационные катки. Рабочий процесс вибрационного катка направлен на достижение требуемой плотности асфальтобетонного покрытия за счет многократных воздействий вальцом (вальцами) на уплотняемый материал с повторяющимися проходами. Уплотняемая среда - асфальтобетонная смесь, характеризуется существенной нелинейностью из-за непрерывного изменения характеристик при деформации нелинейной упруговязкопластической среды, изменения температуры уплотняемого слоя во времени, процесса релаксации напряжений, температурной сегрегации и других факторов, что требует постоянного внимания со стороны оператора за управлением режимами работы вибрационного катка. Обеспечение эффективной работы дорожных катков возможно только за счет автоматизации технологических процессов.

Зарубежные производители вибрационных катков предлагают автоматические системы управления (АСУ) процессом уплотнения (Asphalt Manager фирмы Bomag), контрольно-

* Corresponding author E-mail address: prok1@yandex.ru

1 © Siberian Federal University. All rights reserved

измерительные системы (АСЕ - Ammann Compaction Expert компании AMMANN) и другие АСУ, адаптированные к своим типам вибрационных катков. Эти и другие аналогичные системы позволяют осуществлять непрерывный контроль за степенью уплотнения (коэффициентом уплотнения), настраивать амплитуду и частоту колебаний вальца в зависимости от скорости дорожного катка и температуры поверхности асфальтобетона. Результаты работы дорожных катков с современными АСУ не гарантируют получение качественных асфальтобетонных покрытий - брак составляет до 65 % [1]. Основные проблемы: отсутствие автоматизации управления при реверсировании, плавности перехода с одной полосы на другую; учет изменения температуры при управлении процессами.

Производство дорожных катков предприятиями Российской Федерации растет. Автоматические системы управления процессом уплотнения на современные дорожные катки отечественного производства не устанавливаются. Необходимость выполнения научной работы по совершенствованию конструкций и разработке систем управления вибрационных катков определяется наличием нерешенных научно-исследовательских задач теории рабочего процесса уплотнения среды, а также наличием современных проблем обеспечения качества дорожных покрытий.

Анализ свойств объекта управления предполагает разработку соответствующих адекватных статических и динамических моделей. Наибольшие трудности проявляются при идентификации нелинейного объекта. Такие задачи могут решаться на основе обработки экспериментальных данных или информации, полученной при решении дифференциальных уравнений. Проведение экспериментальных исследований дорожно-строительных машин в реальных условиях их эксплуатации, в процессе строительства асфальтобетонных покрытий, является не эффективным. Это связано с большой трудоемкостью, стоимостью и сложностью организации работ в соответствии с планом испытаний. В этом случае используют методы имитационного моделирования с применением математических программных средств, таких как пакет программ Matlab&Simulink.

Целью научной работы является: разработка имитационной динамической модели процесса уплотнения асфальтобетонной смеси вибрационным катком, проверка её адекватности, проведение численного эксперимента и обработка полученных экспериментальных данных.

Имитационная динамическая модель процесса уплотнения

Основными показателями, характеризующими напряженно-деформированное состояние асфальтобетонной смеси в процессе уплотнения, как нелинейной упруго-вязко-пластической среды, являются контактное напряжение и величина деформации. Широкое распространение для теоретического описания уплотняемой среды у российских [2] и зарубежных [3] ученых получили методы реологии. Существующие реологические модели не нашли широкого практического применения при разработке систем управления из-за отсутствия доступных специалистам выходных реологических характеристик этих моделей, которые можно получить в результате экспериментальных исследований.

Для решения поставленной задачи в качестве базовой принята теория уплотнения, предложенная в работе [2]. С учетом конструктивных элементов катка схема модели процесса вибрационного уплотнения асфальтобетонной смеси приведена на рис. 1.

ЛС*ЛЛЫГ0ЫГ0ННЛ* СМЕСЬ

ОГНП13АН11Г

Рис. 1. Модель процесса вибрационного уплотнения асфальтобетонной смеси дорожным катком

Модель условно можно разделить на две части: первая описывает динамику колебаний вибрационного вальца, вторая - реологиче скиесвойства уплотняемой среды.

Дифференциальные уравнения колебательной системы можно записать следующим образом [1]:

т,

ё2 х^)

' Ж2

+ Ь

ёх, (/) ёх2 (/)

Ж

Ж

-с(х,(Г) - х2^)) = т, ■ g;

(1)

т> • ^ - Ь( ^ - ёХёГ ]" с ^)" хМ = Я ■ /) + т2 • g - Р(*),

где т2 - масса вальца, которому сообщаются гармонические колебания от вибровозбудителя, кг; т1 - масса пригруза (масса рамы вальца, воздействующая на вибрирующий валец), кг; х1 - вертикальное пере мещение корпус а катка, возникающее от вращения дебалансного вала вальца и передающееся через резиновые амортизаторы, м; х2 - вертикальное перемещение вибрационного вальца, м; Ь - коэффициент вязкого трения резиновых амортизаторов, Па*с/м; с - жесткость резиновых амортизаторов, Н/м; <2 - вынуждающая сила вибровозбудителя, Н; ю - угловая частота вращения вала вибровозбудителя, рад/с; t - текущее время вибрационного воздействия на смесь, с; Рф - реакция на валец со стороны уплотняемой смеси, Н.

Для удобства проведен ия компьютерного имитационного моделирования уравнения, полученные в работе [2!], были преобразованы, что позволило б олее де тально исследовать динамические процессы. После преобразования система уравнений (1) имеет следующий вид:

_ (т +т2)-ё ,_6

Л2 (0,02 ■т1+т2 /) (0,02 ■т1+т2 )-кш (/)

■ зт(ю /) -

МО- В

А*);

(0,02 • т1 + т2)• Асл (*)

Л 2дк (/) __ е2 • п + 93 • т ёик (*) к (*) -^Т ] , • 93 • п-т Л 62 • 93 • п ■ т

^0) , Л2-9з+ЛЗ-92 ¿40

Л2 Л2

"Лз

62•03 • п ■ т

А

62 • 93 • п-т

Л*2

где В - ширина вальца, м; Исл(() - толщина слоя смеси, м; LAB(t) - длина дуги контакта вальца со смесью, м; 02, 03- время быстрой и медленной релаксации напряжений, соответственно, с; п, т - коэффициента, постоянно изменяющиеся в процессе уплотнения; п2, Пз - вязкость смеси в блоках 2 и 3 реологической модели смеси соответственно, Па*с.

С учетом при нятыв х упрощени й система у равнений (2) преобразована:

' а 2е{г) аг2 ' а Ч (г) .

аг2 '

-а0 + Ь0 ■ sm(® г) - с0 -ак (г);

а°к(г) г ^ у! , ае(г) - С (г) ] + ^(ъ + +

(3)

аг

а 2е(г)

+С2(^2 • 03 + • 02 ) ^2

аг2

где а0 =

(в1 +

в2 )■ g

т; Ьо =

2

(0,02-вй1 + В2УК^)' 0 (0,02• В1 + В2)• Асл(гУ ААВ (' )• В

0 (0,02-тТ + т2)• /)(?)' 1 02-03-и-яг '

Используя программный комплекс Matlab&Simulink, разработали имитационную модель процесса уплотнения асфальтобетонной смеси вибрационным катком на основе системы дифференциальных уравнений (3) (рис. 2 - 4).

В модели присутствуют две подсистемы и (рис;. 3, 4). Задающим

сигналом является угловая частота вращения дебалансного вала, которая определяется по формуле

где/- частота вибрации вальца, Гц. В данной задаче исходная частота 0=50 Гц.

(4)

Рис. 2. Модель процесса уплотнения асфальтобетонной смеси вибрационным катком на языке М а)1аЬ&8шшНпк

Integrator Sine Wave Function

Gain bO*Q

E>

Integrator!

Scope 1

-kjD

Outl

Integrator Gain4

-K3D

Out2

Scope

Рис. 3. Содержание 6noKaSubSystem

0ut4

Рис. 4. Содержание блока SubSysteml

Входом 1п1 подсистемы SubSystem является величина контактного давления, выраженная из второго уравнения системы (2), а её выходом - величина деформации среды.

В подсистеме SubSystem1 реализован учет свойств вязкости среды, выходами подсистемы служат данные для построения модели уравнения (3).

Свойства вязкости среды, нелинейно изменяющиеся в процессе уплотнения, учитываются при помощи коэффициентов дай п. Модели и зависимости изменения этих коэффициентов от времени приведены на рис. 5 и 6.

0.025 0.16S+1

0.025 0.16S+1

Transfer Fcn1

Constant! 3.075

1

Constant3 0 425

"И

Рис. 5. Модель изменения коэффициентов »г и пот времени

Рис. 6. Зависимости изменения коэффициентов пи т от времени

Результаты исследования

Исходные данные к модели процесса уплотнения асфальтобетонной смеси дорожным катком :

Q - вынужденная сила вибровозбуждения, 45*103 Н;

B - ширина вибрационного вальца, 1,5 м;

m1 - масса пригруза (рамы), 3,5*103 кг;

m2 - масса вибрационного вальца, 2*103 кг;

02 - время релаксации в блоке 2 реологической модели смеси, 0,02 с;

93 - время релаксации в блоке 3 реологической модели смеси, 5 с;

cm - предел текучести, 0,9 МПа;

т)2 - вязкость смеси в блоке 2 реологической модели смеси, 0,35 МПа*с;

т)3 - вязкость смеси в блоке 3 реологической модели смеси, 0,35 МПа*с;

n0 = 0,075, пк = 0,1 m0 = 0,425,

тк= 0,4 - коэффициенты распределения контактного давления;

Vm - скорость движения катка, 0,55 м/с;

йсл - толщина слоя смеси, 0,06 м; р0 - начальная плотность смеси, 0,94 кг/м3.

Адекватность имитационной модели проверена по результатам моделирования динамики рабочего процесса уплотнения асфальтобетонной смеси вибрационным катком. Получены зависимости контактного давления вальца и абсолютной деформации смеси от времени контакта вальца с уплотняемой смесью, а также ускорен ие изменения деформации уплотняемой среды (рис. 7 - 9).

ли6

О.СИ О.ПЗ О.ОЗ 0 .04 Г, с

Рис. 8. Зависимость контактного давления вальца от времени контакта вальца с уплотняемой смесью

- 563 -

Рис. 9. Зависимость ускорения изменения деформации смеси от времени контакта вальца с уплотняемой смесью

Выполнена обработка результатов исследования методом планирования эксперимента [4]. Для анализа результатов были выбраны следующие параметры, влияющие на реологические свойства уплотняемой среды и динамику вибрационных свойств вальца, а также диапазоны изменения этих параметров:

- время быстрой 02 и медленной 93 релаксации напряжений, изменяющиеся в диапазонах: 02 = 0,005...0,05 с, (33 = 0,5... 10 с;

- вязкость смеси в блоках реологической модели: Пз (0,1.0,6 МПа*с);

- частота вибрацииf (40.50 Гц).

Используя опытные данные и указанные факторы, рассчитали коэффициенты регрессионных моделей и показатели достоверности аппроксимации. Погрешности вычислений составили:

• для контактного давления 0,1 %;

• для деформации 8 %;

• для ускорения изменения деформации 0,6 %.

С! использованием программы MS Excel получены уравнения регрессии, отражающие влияние каждого исследуемого фактора на один из трех откликов: контактное давление вальца, деформацию смеси и ускорение изменения деформации смеси (рис. 10 - 13).

2 1,5

го d S ! 1

t>

0,5 0

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

ц2 МПа c

Рис. 10. Зависимость контактного давления вальца от вязкости в блоке 2 реологической модели смеси

y = 11,31x + R2 = 0,9 1,3603 98--

г- 1

- -

о,1 о,з о,5 о,г

■1 э мПэ с

Рис. 11. Зависимость контактного давления вальца от вязкости в блоке 3 реологической модели смеси

" г

г о

ВТ

^ с

450 400 ■ 350 ■ 300 ■ 250 ■

¥ = 1533,7х+330,79 V = 0,95

I I I 1 ! I I ' I I

0,01

0.02

0,03

0,04

0,05-

е>

I5ис. 12. Зависимость ускорения изменения деформации смеси от времени релаксации в блоке 2 реологической модели смеси

Рис. 13. Зависимость ускорения изменения деформации смеси от времени релаксации в блоке 3 реологической модели смеси

Выводы

Разработана имитационная динамическая модель процесса уплотнения асфальтобетонной смеси вибрационным катком, позволяющая упростить исследование динамических процессов, вызванных изменением параметров дорожного катка и уплотняемой среды при проведении численных экспериментов.

Моделирование процесса уплотнения асфальтобетонной смеси дорожным катком программными средствами Matlab&Simulink и результаты исследования методом планирования эксперимента показали адекватность модели в сравнении с результатами других ученых.

Результаты работы могут использоваться для идентификации параметров среды и параметров вибрации при разработке системы автоматического управления процессом уплотнения, в частности для выбора соответствующих датчиков контактного давления, деформации, ускорения изменения деформации.

Список литературы

1. Кустарев Г.В. «Мозги» для катков - панацея или помощник? //Автомобильные дороги. 2009. № 9 (934). С. 118-121.

2. Пермяков В.Б., Дубков В.В., Серебренников В.С. Аналитическое описание процесса уплотнения асфальтобетонной смеси вибрационным катком // Омский научный вестник. Машиностроение и машиноведение. 2008. № 1 (64). С. 67-71.

3. Siminiati D., Hren D. Simulation on vibratory roller-soil Interaction //Advanced Engineering. 2(2008)1. Pp. 111-120. ISSN 1846-5900.

4. Клевцова О.Г., Иванчура В.И., Прокопьев А.П. Автоматизация процесса виброуплотнения дорожными катками //Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2010. Т. 1 С. 321-322.

Identification of the Dynamic Compaction Process of Asphalt Mixture Rollers

Vladimir I. Ivanchura, Andrey P. Prokopiev and О^ G. Klevcova

Siberian Federal University, 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia

Work is devoted to the identification of dynamic system compaction process of asphalt concrete mixtures vibrating rollers. Presented a simulation model of the sealed environment, using the program MATLAB / Simulink, a system ofcomputer simulation of the vibratory roller. Shows the dependence of the contact pressure roller, the absolute strain the mixture to accelerate change in strain environment from the time of contact with roller compacted mixture. Graphic shows results depending on data simulation based on regression analysis by means of MS Excel. The results can be used for the purposes of identifying the parameters of the environment and the vibration parameters for automation purposes, to select the sensors about the state of the environment.

Keywords: asphalt concrete mix, vibrating roller, simulation, regression analysis, the degree of compaction, deformation, stress relaxation.