CC BY
18Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2022. № 1 (60). С. 95-103. The Siberian Transport University Bulletin. 2022. No. 1 (60). Р. 95-103.
СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА
Научная статья УДК 625.084
doi 10.52170/1815-9265_2022_60_95
Повышение эффективности уплотнения асфальтобетонной смеси
гладковальцовым катком
Евгений Алексеевич Шишкин1^, Александр Андреевич Смоляков2
11 2 Тихоокеанский государственный университет, Хабаровск, Россия
Аннотация. От качества выполнения операции уплотнения асфальтобетонного покрытия, выполняемой в процессе строительства автомобильной дороги дорожным катком, зависит долговечность сооружения в целом. В ходе уплотнения сопротивление асфальтобетонного слоя деформированию возрастает, что обусловлено непрерывным охлаждением материала, а также увеличением его плотности с каждым проходом катка. В то же время максимальное удельное давление под вальцом дорожного катка ограничено его конструктивными параметрами. Поэтому каждый каток может эффективно выполнять операцию уплотнения в определенном диапазоне физико-механических характеристик слоя.
Задачей исследования является повышение эффективности уплотнения асфальтобетонной смеси гладковальцовым дорожным катком за счет расширения технологических границ применения машины. Для решения указанной задачи рассмотрен процесс взаимодействия гладкого вальца с асфальтобетонным слоем. Для описания поведения асфальтобетонного слоя в процессе нагружения принята модель Кельвина. При рассмотрении равновесия сил, действующих по площади контакта вальца с уплотняемым материалом, с учетом начальных условий получена система нелинейных алгебраических уравнений, позволяющая определить длину дуги контакта вальца с материалом. В результате исследования функции удельного давления под вальцом катка получено уравнение для определения значения максимального удельного давления под вальцом катка. На основе полученных теоретических результатов было проведено динамическое моделирование уплотнения асфальтобетонной смеси вальцом катка.
Анализ результатов моделирования позволил сделать вывод о возможности значительного изменения максимального удельного давления под вальцом за счет регулирования скорости движения катка. С учетом разработанной методики предложена система автоматического управления для осуществления непрерывного контроля эффективности уплотнения. Предлагаемая система позволяет повысить эффективность операции уплотнения асфальтобетонной смеси дорожным катком путем поддержания максимального удельного давления под вальцом катка на уровне предела прочности уплотняемого слоя. Варьирование значения максимального удельного давления под вальцом катка осуществляется в зависимости от физико-механических характеристик уплотняемого слоя асфальтобетонной смеси и обеспечивается за счет оперативного изменения скорости движения машины.
Ключевые слова: асфальтобетонная смесь, дорожный каток, уплотнение, эффективность, максимальное удельное давление, скорость движения катка, система автоматического управления
Для цитирования: Шишкин Е. А., Смоляков А. А. Повышение эффективности уплотнения асфальтобетонной смеси гладковальцовым катком // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2022. № 1 (60). С. 95-103. DOI 10.52170/1815-9265_2022_60_95.
BUILDING AND ARCHITECTURE
Original article
Improving the efficiency of the asphalt concrete mixture compaction
with a smooth drum roller
Eugene A. Shishkin1H, Alexander A. Smolyakov2
1, 2 Pacific National University, Khabarovsk, Russia
© Шишкин Е. А., Смоляков А. А., 2022
Abstract. The durability of the structure as a whole depends on the operation quality of the asphalt concrete pavement compaction performed during the construction of a highway by a road roller. In the course of compaction, the asphalt concrete layer resistance to deformation increases that is due to the continuous cooling of the material, as well as an increase in its density with each passes of the roller. At the same time, the maximum specific pressure under the drum of a road roller is limited by its design parameters. Therefore, each roller can effectively perform the compaction operation within a certain range of physical and mechanical characteristics of the layer.
The objective of the study is to increase the asphalt concrete mixture compaction efficiency by a smooth-drum road roller by expanding the technological boundaries of the machine's application. To solve this problem, the interaction process of a smooth roller with an asphalt concrete layer is considered. To describe the behaviour of the asphalt concrete layer during loading, the Kelvin model is adopted. Considering the balance of forces acting over the area of contact of the roller with the material to be compacted, taking into account the initial conditions, a system of nonlinear algebraic equations was obtained, which makes it possible to determine the arc length of the roller contact with the material. As a study result of the function of the specific pressure under the roller of the roller to the maximum, an equation was obtained to determine the value of the maximum specific pressure under the roller of the roller. On the basis of the obtained theoretical results, a dynamic simulation of the asphalt concrete mixture compaction with a roller of a roller was carried out.
Analysis of the simulation results made it possible to draw a conclusion about the possibility of a significant change in the maximum specific pressure under the drum by regulating the speed of the roller. Taking into account the developed technique, an automatic control system is proposed for continuous monitoring of the compaction efficiency. The proposed automatic control system makes it possible to increase the efficiency of the asphalt concrete mixture compaction by the road roller by maintaining the value of the maximum specific pressure under the roller of the roller at the level of the ultimate strength of the compacted layer. Varying the value of the maximum specific pressure under the roller drum is carried out depending on the physical and mechanical characteristics of the compacted layer of the asphalt concrete mixture and is ensured by promptly changing the speed of the machine.
Keywords: asphalt mixture, road roller, compaction, efficiency, maximum specific pressure, roller speed, automatic control system
For citation: Shishkin E. A., Smolyakov A. A. Improving the efficiency of the asphalt concrete mixture compaction with a smooth drum roller. The Siberian Transport University Bulletin. 2022;(60):95-103. (In Russ.). DOI 10.52170/1815-9265 2022 60 95.
Введение
В качестве верхнего слоя дорожной одежды, от качества которого зависит долговечность сооружения в целом, используют преимущественно покрытие из асфальтобетона. В связи с этим важную роль играет технологическая операция уплотнения данного покрытия, для которой применяют дорожные катки различных типов.
Согласно [1-3] для эффективного уплотнения дорожного покрытия необходимо, чтобы значение максимального удельного давления под вальцом катка было близко к пределу прочности материала, но не превосходило его:
0,9СТв < ртах < С в, (1)
где Ов - предел прочности уплотняемого материала, Н/м2; ртах - максимальное удельное давление под вальцом катка, Н/м2.
В процессе уплотнения сопротивление асфальтобетонной смеси деформированию непрерывно растет, что обусловлено увеличением ее плотности, а также остыванием. В то же время максимальное удельное давление под вальцом дорожного катка ограничено его конструктивными параметрами [4]. Поэтому каждый каток может эффективно выполнять операцию уплот-
нения в определенном диапазоне физико-механических характеристик смеси [5].
Задачей исследования является повышение эффективности уплотнения асфальтобетонной смеси гладковальцовым дорожным катком за счет расширения технологических границ применения машины.
Метод исследования
Рассмотрим элементарную площадку аХ, расположенную в зоне контакта вальца со слоем асфальтобетонной смеси (рис. 1).
На указанную площадку действует сила рБёх. Условие равновесия сил, действующих по площади контакта вальца с уплотняемым материалом, имеет вид [6]
Л2
Q - J p (х) Bdx = 0,
(2)
где Q - вес катка, приходящийся на валец, Н; р(х) - удельное давление, Н/м2; Б - ширина вальца, м.
Осадка слоя к в произвольной точке В (рис. 2) с координатой х равна [7]:
h = h0--,
0 2 R
(3)
где ко - осадка материала, м; х - координата точки Б, м; Я - радиус вальца, м.
2
Рис. 1. Схема качения вальца по уплотняемому материалу
Рис. 2. Схема деформирования материала вальцом катка
Скорость изменения координаты точки В относительно принятой системы координат составит:
кон поведения которого представляет собой следующее дифференциальное уравнение:
&х = -у
ж
(4)
р (к ) = ск + д<&к,
(7)
где У - скорость поступательного движения вальца, м/с.
Дифференцируя уравнение (3), с учетом (4) получим скорость деформирования слоя в точке В:
где р(к) - удельное давление, Н/м2; с - модуль жесткости слоя асфальтобетонной смеси, Н/м3; ц - коэффициент внутреннего трения слоя асфальтобетонной смеси, Н-с/м3.
После подстановки выражений (3), (5) в уравнение (7) получим
&к = у & ~ я .
(5)
Р ( х ) =
Так как в точке С осадка к(х2) = 0, максимальная осадка уплотняемого слоя с учетом (3) равна:
' к х2 ^ к0--
V 0 2Я у
У
+ д—х.
я
(8)
Подставив выражение (8) в уравнение (1), после интегрирования получим
х 2
к0 = ^ 0 2 Я
(6)
2 - в
1
6 я
с I кг:х-, —— х1 I- с I кх--х,3 1 +
1
6 Я
где х2 - координата точки С (см. рис. 2), м.
В качестве реологической модели асфальтобетонной смеси примем тело Кельвина [8, 9], за-
+ ДЯ (х2 - х;)
= 0.
(9)
Подставив р(х1) = 0 в уравнение (8), а также с учетом (6) и (9) после преобразований получим следующую систему нелинейных алгебраических уравнений: с
й = Б
3Я
( х3 - х13 ) + ( х2 + х12 )
х 2 = х 2
2цУ
(10)
где х1 < 0, х2 > 0.
Решение системы уравнений (10) позволяет определить длину дуги контакта вальца с уплотняемым материалом. Так как х1 << Я, х2 << Я, длину дуги контакта приближенно можно принять равной
Ь «\х\ + х2. (11)
Исследуем функцию удельного давления р(х) на максимум. Для этого продифференцируем уравнение (7):
и \ с ц,У
р (х ) =--х + .
У ' Я Я
(12)
С учетом того что в точке максимума функции р' (х) , получим координату хтах, соответствующую максимальному удельному давлению:
Я
(13)
Важно отметить, что координата хтах всегда положительна, следовательно, максимальное удельное давление находится правее вертикальной оси г (см. рис. 2).
Подставив выражение (13) в (8), получим уравнение для определения значения максимального удельного давления под вальцом катка:
ртах
ц2У2 сх22
- + -
(14)
2 Яс 2 Я где х2 « Ь/ 2.
На основе системы уравнений (10), а также уравнений (6), (11), (14) при помощи средства визуального моделирования Xcos пакета БсИаЪ
с
Рис. 3. Динамическая модель уплотнения асфальтобетонной смеси вальцом катка
была составлена динамическая модель, приведенная на рис. 3.
Модель включает в себя:
- блоки «константа» 1 с помощью которых задаются конструктивные параметры катка, а также физико-механические характеристики уплотняемого слоя;
- блоки математических операций («сумматор» I 2
;п
«умножение»
«возведение в степень» ►
лютное значение» ► ^ ■)
направления и преобразования сигналов в соответствии с аналитической формой модели;
- блоки «решатель»
«усиление»
«абсо-служащие для
используе-
мые для нахождения координат Х1 и Х2;
служащие для
- блоки «дисплей» отображения полученных результатов, а именно: значений длины дуги контакта Ь, максимального удельного давления под вальцом катка Ртах, максимальной осадки уплотняемого слоя к
0,
- блок «часы активации»
©
предназна-
ченный для задания моментов времени регистрации результатов моделирования.
Динамическая модель, представленная на рис. 3, была использована для исследования поведения материала, уплотняемого вальцами различных моделей дорожных катков. Моде-
лирование производилось для конкретных параметров уплотняемого материала, т. е. для конкретного прохода катка. В качестве переменной выступала скорость поступательного движения дорожного катка, диапазон изменения которой соответствовал указанному в [10].
Результаты имитационного моделирования
В результате моделирования установлено, что независимо от выбранной модели катка зависимости параметров процесса уплотнения от скорости движения катка аналогичны приведенным на рис. 4-6.
Анализ графика, приведенного на рис. 6, позволяет сделать вывод о возможности значительного изменения максимального удельного давления под вальцом за счет регулирования скорости движения катка V.
Область применения результатов
С учетом разработанной методики задача расширения технологических границ применения дорожного катка может быть решена с помощью системы автоматического управления. Блок-схема предлагаемой системы автоматического управления приведена на рис. 7.
Известны системы автоматического задания траектории движения дорожного катка с учетом степени уплотнения различных участков покрытия [11, 12]. В отличие от известных систем представленная на рис. 7 позволяет управлять процессом уплотнения за счет варьирования рабочей скорости машины.
\
\
1 2 3 4 5 6 7 8
V, км/ч
Рис. 4. Длина дуги контакта вальца с материалом в зависимости от скорости движения катка
о
о
Рис. 5. Максимальная осадка материала под вальцом в зависимости от скорости движения катка
в
2.5 2 1 Ч -
/
10.50- /
1 2 3 4 5 6 7 8
V, км/ч
Рис. 6. Максимальное удельное давление под вальцом в зависимости от скорости движения катка
Рис. 7. Блок-схема системы автоматического управления процессом уплотнения
В ходе укатки асфальтобетонной смеси дорожным катком предлагаемая система автоматического управления осуществляет непрерывный контроль выполнения условия (1), а также корректировку скорости движения катка в случае нарушения указанного условия.
Так как максимальное удельное давление Ртах под вальцом катка и предел прочности Ов уплотняемой смеси зависят от ее коэффициента уплотнения Ку и температуры Т [13], то необходимо проведение дополнительных экспериментальных исследований.
Для определения максимального удельного давления под вальцом катка ртах в уравнении (14) неизвестными являются модуль жесткости с и коэффициент внутреннего трения ц асфальтобетонной смеси, зависящие от ее коэффициента уплотнения Ку и температуры Т. С целью установления зависимости указанных параметров от характеристик материала требуется проведение серии лабораторных экспериментов по сжатию предварительно уплотненных образцов.
Для установления зависимости предела прочности асфальтобетонной смеси Ов от коэффициента уплотнения Ку и температуры Т уплотняемого материала требуется проведение серии лабораторных экспериментов по разрушению предварительно уплотненных образцов. В рамках данной работы перечисленные экспериментальные исследования не проводились. Принцип действия предлагаемой системы автоматического управления заключается в следующем. Процесс уплотнения начинается с первоначально установленной скорости движения катка Уо. В процессе уплотнения материала с помощью датчиков Дт, Дку [14], Дь, Ду измеряют текущие значе-
ния сигналов, пропорциональных температуре т и коэффициенту уплотнения Ку асфальтобетонной смеси, длине дуги контакта вальца с материалом Ь, скорости движения катка У соответственно. На выходах блоков преобразователей П и П2 формируются сигналы, пропорциональные текущим значениям предела прочности асфальтобетонной смеси Ов и максимального удельного давления под вальцом ртах соответственно. Указанные сигналы поступают в устройство сравнения СУ, где вычисляется приращение А = Ов - Ртах. Если приращение А < 0, то в исполнительный механизм ИМ поступает команда на уменьшение подачи насоса привода хода, в результате чего скорость движения катка уменьшается (-У). В противном случае ИМ повышает подачу насоса привода хода, увеличивая скорость движения катка (+У). Если величина приращения близка к нулю (А = 0), то ИМ не изменяет режим работы, так как эффективность укатки максимальна.
Заключение
Разработанная теоретическая методика, реализованная в предлагаемой системе автоматического управления, позволяет повысить эффективность уплотнения асфальтобетонной смеси дорожным катком путем поддержания максимального удельного давления под вальцом катка на уровне предела прочности уплотняемого слоя. Варьирование максимального удельного давления под вальцом катка осуществляется в зависимости от физико-механических характеристик уплотняемого слоя асфальтобетонной смеси и обеспечивается за счет оперативного изменения скорости движения машины.
Список источников
1. Пермяков В. Б., Беляев К. В. Влияние режимных параметров катков на интенсивность уплотнения асфальтобетонных смесей // Строительные и дорожные машины. 2007. № 1. С. 19-22.
2. Захаренко А. В. Уплотняющее давление вальцов дорожного катка // Строительные и дорожные машины. 2005. № 2. С. 24-26.
3. Иванов В. Н., Трофимова Л. С., Линев Ф. В. Влияние параметров катков на качество уплотнения асфальтобетонных смесей в дорожных покрытиях // Механизация строительства. 2012. № 8 (818). С. 11-13.
4. Хархута Н. Я., Шестопалов А. А. Выбор типа и режимов работы катков при уплотнении асфальтобетонных смесей // Автомобильные дороги. 1986. № 3. С. 24-25.
5. Носов С. В. Влияние технологических параметров дорожных катков на уплотнение асфальтобетонной смеси // Строительные и дорожные машины. 2001. № 7. С. 5-7.
6. Rechitsky V. S. Theoretical research and analysis of work process of a road roller with local deformation of roll in compaction zone // FME Transactions. 2017. Vol. 45, № 4. P. 503-509. DOI 10.5937/fmet1704503V.
7. Johnson K. L. Contact mechanics. Cambridge : Cambridge University Press, 2012. 510 p. DOI 10.1017/CBO9781139171731.
8. Богомолов В. А., Жданюк В. К., Богомолов С. В. Простейшие звенья линейной пространственной реологической модели асфальтобетона // Автомобильный транспорт. 2010. № 27. С. 157-162.
9. Евтюков С. А., Овчаров А. А., Замараев И. В. Построение механореологических моделей процессов взаимодействия рабочих органов строительно-дорожных машин со средой. СПб. : С.-Петерб. гос. арх.-строит. ун-т, 2011. 59 с.
10. Строительство и реконструкция автомобильных дорог : справ. энцикл. дорожника (СЭД) : в 5 т. / А. П. Васильев, Б. С. Марышев, В. В. Силкин [и др.]. М. : Информавтодор, 2005. Т. 1. 1519 с.
11. Path tracking control of an articulated road roller with sideslip compensation / M. B. Yang, L. Yongming, Z. H. Guangjun and Z. Hao // IEEE Access. 2020. Vol. 8. P. 127981-127992. DOI 10.1109/AC-CESS.2020.3008455.
12. Wang J. W., Tong P. F. Development of unmanned roller and its application in highway engineering // 20th COTA International Conference of Transportation Professionals. 2020. P. 1583-1590. DOI 10.1061/9780784483053.133.
13. Зубков А. Ф., Однолько В. Г. Технология строительства асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог : монография. М. : Машиностроение, 2009. 224 с.
14. Comprehensive control method of asphalt concrete compaction by road roller / R. Emelyanov, A. Prokopev, Y. Vasiliev [et al.] // Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 1889. P. 042059. DOI 10.1088/17426596/1889/4/042059.
References
1. Permyakov V. B., Belyaev K. V. Influence of regime parameters of rollers on the intensity of compaction of asphalt concrete mixtures. Construction and road machines. 2007;(1):19-22. (In Russ.).
2. Zakharenko A. V. Sealing pressure of road roller rollers. Construction and road machines. 2005;(2):24-26. (In Russ.).
3. Ivanov V. N., Trofimova L. S., Linev F. V. Influence of roller parameters on the quality of compaction of asphalt concrete mixtures in road surfaces. Construction mechanization. 2012;(818):11-13. (In Russ.).
4. Kharhuta N. Ya., Shestopalov A. A. The choice of the type and modes of operation of rollers during the compaction of asphalt-concrete mixtures. Car roads. 1986;(3):24-25. (In Russ.).
5. Nosov S. V. Influence of technological parameters of road rollers on the compaction of asphalt concrete mixture. Construction and road machines. 2001;(7):5-7. (In Russ.).
6. Rechitsky V. S. Theoretical research and analysis of work process of a road roller with local deformation of roll in compaction zone. FME Transactions. 2017;45(4):503-509. (In Russ.). DOI 10.5937/fmet1704503V.
7. Johnson K. L. Contact mechanics. Cambridge: Cambridge University Press; 2012. 510 p. DOI 10.1017/CBO9781139171731.
8. Bogomolov V. A., Zhdanyuk V. K., Bogomolov S. V. The simplest links of a linear spatial rheological model of asphalt concrete. Automobile transport. 2010;(27):157-162. (In Russ.).
9. Evtyukov S. A., Ovcharov A. A., Zamaraev I. V. Construction of mechanorheological models of the processes of interaction of the working bodies of road construction machines with the environment. St. Petersburg: St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering; 2011. 59 p. (In Russ.).
10. Vasiliev A. P., Maryshev B. S., Silkin V. V. [et al.]. Construction and reconstruction of highways: Ref. encycle. road builder (SED): in 5 volumes. M.: Informavtodor; 2005. Vol. 1. 1519 p. (In Russ.).
11. Yang M. B., Yong-ming L., Guangjun Z. H., Hao Z. Path tracking control of an articulated road roller with sideslip compensation. IEEE Access. 2020;(8):127981-127992. DOI 10.1109/ACCESS.2020.3008455.
12. Wang J. W., Tong P. F. Development of unmanned roller and its application in highway engineering. 20th COTA International Conference of Transportation Professionals. 2020:1583-1590. DOI 10.1061/9780784483053.133.
13. Zubkov A. F., Odnolko V. G. Construction technology of asphalt concrete coatings of automobile roads: monograph. M.: Mashinostroenie; 2009. 224 p. (In Russ.).
14. Emelyanov R., Prokopev A., Vasiliev Y. [et al.]. Comprehensive control method of asphalt concrete compaction by road roller. Journal of Physics: Conference Series. 2021;(1889):042059. DOI 10.1088/17426596/1889/4/042059.
Информация об авторах
Е. А. Шишкин - кандидат технических наук, доцент кафедры «Транспортно-технологические системы в строительстве и горном деле» Тихоокеанского государственного университета.
А. А. Смоляков - магистрант кафедры «Транспортно-технологические системы в строительстве и горном деле» Тихоокеанского государственного университета.
Information about the authors
E. A. Shishkin - Candidate of Engineering, Associate Professor of theTransportation and Technological Systems in Construction and Mining Department, Pacific National University.
A. A. Smolyakov - a master student of the Transportation and Technological Systems in Construction and Mining Department, Pacific National University.
Статья поступила в редакцию 03.11.2021; одобрена после рецензирования 23.11.2021; принята к публикации 17.01.2022.
The article was submitted 03.11.2021; approved after reviewing 23.11.2021; accepted for publication 17.01.2022.
