CC BY
14
УДК 624.088.8
Мудров Александр Григорьевич
доктор технических наук, профессор
E-mail: Alexmudrov42@rambler.ru
Казанский государственный архитектурно-строительный университет
Адрес организации: 420043, Россия, г. Казань, ул. Зеленая, д. 1
Мудрова Анна Александровна
соискатель
E-mail: annamudrova@mail.ru
Федеральная служба по аккредитации (Росаккредитация)
Адрес организации: 117312, Россия, г. Москва, ул. Вавилова, д. 7
Самодвижущее устройство для уплотнения дорожного полотна при ремонте
Аннотация
Постановка задачи. В нашей стране с каждым годом увеличивается количество легковых и грузовых автомобилей, которые увеличивают нагрузку на дорожное полотно, постепенно ухудшая его качество. На так называемый «ямочный ремонт» ежегодно тратятся огромные средства. Для проведения ремонта требуется мобильная техника, в том числе уплотнители каменных материалов и асфальтобетона. Пока такая техника российского производства ограничена в количестве и несовершенна.
Цель исследования - разработать самодвижущееся малогабаритное эффективное устройство для уплотнения дорожного полотна при ремонте.
Результаты. В результате исследования предложено новое малогабаритное уплотняющее устройство, использующее направленное силовое воздействие на уплотняемый каменный материал или асфальтобетонное покрытие, которое не только эффективно уплотняет, но и обеспечивает самопередвижение устройства без участия оператора.
Выводы. Значимость полученных результатов для строительной отрасли заключается в создании нового малогабаритного эффективного устройства для уплотнения каменного материала и асфальтобетона, используемого для ремонта разрушенных участков дорожного покрытия.
Ключевые слова: дорожное полотно, уплотняющее устройство, ямочный ремонт, инерционные силовые импульсы.
Введение
Автомобильные дороги играют в экономике и развитии РТ и РФ огромную роль и значение. Это глобальная сеть и артерии взаимосвязи между регионами и производственными предприятиями. Ежегодно парк грузовых и легковых машин неизменно возрастает, следовательно, увеличивается и воздействие движущегося транспорта на дорожное покрытие [1]. Кроме того, вредное влияние на полотно оказывают различные температурные факторы, осадки в виде мокрого снега, дождя, естественное старение и износ. Сюда можно отнести и использование некачественных материалов, нарушение технологии строительства, недостаточное профилактическое обслуживание дорожного полотна, движение большегрузных фур в осенний и весенний периоды [2].
Вышеуказанные факторы вызывают разрушение, деформацию, образование трещин, ям и ухабов, выбоин, просадки, волн, наплывов и прочего.
Требования к асфальтобетонным смесям отражены в ГОСТах: 30108-94, 310152002, 9128-2013; к дорожному покрытию автодорог - ГОСТ 33101-2014.
Не устраненные вовремя, образовавшиеся повреждения могут вызвать дальнейшее разрушение полотна и значительное ухудшение эксплуатационных свойств и качеств автодороги.
Ремонт дорожного покрытия может быть текущий и капитальный в зависимости от вида и состояния повреждений [3].
Если на полотне имеются трещины, волны, наплывы, выбоины, небольшие ямы, то производится текущий ремонт.
Текущий ремонт не относится к капиталоемким, поэтому не выгоден крупным предприятиям. Им, в основном, занимаются местные мелкие организации, у которых имеется набор необходимого оборудования, грузовой автотранспорт и материал для заделки повреждений. Текущий ремонт иногда именуется как ямочный ремонт, при котором устраняется большинство вышеуказанных повреждений дорожного полотна.
При текущем ремонте производятся следующие виды работ: определение границ ремонта, удаление материала покрытия в границах ремонта, заполнение выделенной площади асфальтобетонной смесью, выравнивание и уплотнение уложенного покрытия.
Для текущего ремонта необходимо иметь минимальный перечень рабочего оборудования: нарезчик швов, компрессор с отбойным молотком, уплотнительные устройства (каток малого класса, виброуплотнитель - виброплиты), грузовая машина.
Качество уплотнения грунта и асфальтобетонных покрытий зависит от многих факторов, в том числе, от типа катков, режима их работы, температуры асфальтобетонной смеси, толщины уплотняемого слоя и т.д. [4, 5].
Из публикаций зарубежных авторов можно отметить темы по асфальтосмесям [6, 7] и уплотнению асфальтобетона [8].
Следует отметить, что уплотнительная техника, используемая при текущем ремонте, не обеспечивает требуемого качества уплотнения по следующим причинам:
- Катки малого класса из-за незначительного веса и многократного статического воздействия (прокатывания) не могут обеспечить высокое качество уплотнения смеси.
- Виброплиты от вращающегося дебаланса имеют круговое силовое воздействие вверх-вниз с одинаковым значением, что недостаточно эффективно для уплотнения, кроме этого они затрачивают сравнительно большие мощности на рабочий процесс, а перемещаются по уплотняемой площади с помощью тяги оператора, на здоровье которого вибрации оказывают вредное влияние.
Техническая характеристика существующих виброплит приведена в табл. 1.
Таблица 1
Техническая характеристика виброплит
Модель виброплиты VS-134 VS-244 VS-246E12 VS-246E20 VS-309
Габариты (ДхШхВ), мм 1150x320x915 1060x440x980 1270x450x1030 1270x450x1030 1340x500x900
Снаряженная масса, кг 74 90 140 160 300
Глубина уплотнения, мм 100 150 200 250 400
Число проходов для достижения указанной глубины уплотнения 4 4 4 4 4
Вынуждающая сила, кН 10 12 18 26 40
Частота вибрации, Гц 100 90 80 80 70
Скорость движения, м/мин 20-25
Двигатель Honda (Япония)
Мощность двигателя, кВт (л.с.) 2,2 (3) 3,0 (4) 4,5 (6) 4,5 (6) 6,75 (9)
Вид топлива Бензин АИ-92
Емкость топливного бака, л 1,2 2,5 3,6 3,6 6,0
Расход топлива виброплит, л/ч 0,96 0,6 1,9 1,9 2,5
Производительность, м2/час 100 140 150 160 180
Из изложенного следует, что нецелесообразно использовать тяжелую уплотнительную технику на небольших участках для текущего ремонта, из-за больших расходов на ее перевозку и обслуживание, а также недостаточной эффективности малогабаритной существующей техники для уплотнения асфальтобетона.
Поставлена цель исследования - разработать самодвижущееся малогабаритное эффективное устройство для уплотнения дорожного полотна при ремонте.
Поскольку ежегодно на ямочный ремонт автодорог и городских улиц городов РТ расходуются огромные денежные средства, предлагаемая тема создания и исследования нового высокоэффективного самодвижущегося устройства для уплотнения дорожного полотна является актуальной и целесообразной.
Анализ и обсуждение исследования
Указанная цель достигается тем, что авторами использована дополнительная направленная сила, действующая одновременно как на процесс уплотнения смеси, так и на самопередвижение устройства, как вперед, так и назад без участия оператора.
Кинематическая схема устройства представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема устройства для уплотнения грунта или асфальта (иллюстрация авторов)
Устройство содержит источник привода 1, выполненный в виде электродвигателя (рис. 1), или двигателя внутреннего сгорания (например, от газонокосилки, бензопилы, и т.д.), с валом источника привода соединено ведущее звено 2, которое шарнирно связано через звено 3 с ведомым звеном 4 [9].
На валу 4' жестко закреплен дебалансный груз 5. Вал 2' ведущего звена 2 и вал 4' ведомого звена 4 расположены в корпусе 6 под углом а2 на расстоянии 12.
Особенность устройства состоит в том, что указанные звенья 2, 3, 4 и 6 имеют разные углы и расстояния между осями их шарниров.
Так, оси шарниров звеньев 2 и 4 расположены под углом а] и отстоят на расстоянии 1], а оси шарниров звена 3 и звена 6 (геометрические оси валов 2' и 4' звеньев 2 и 4 расположены под углом а2 и на расстоянии 12). При этом параметры звеньев связаны соотношением:
а2= а]. (1)
Угол а] может принимать значения от 10 до 500, а угол а2 - от 30 до 900. Следует отметить, что кратчайшие расстояния у шарниров звеньев и корпуса измеряются не по материальному телу, а расположены вне тела, как показано на рис. 1.
Корпус 6 связан шарнирно с плитой 7 посредством пальца 8. Корпус 6 вместе с расположенными на нем звеньями может изменять угол наклона по отношению к плите 7 как вперед, так и назад. Изменение угла осуществляется посредством рычага 9 и тяги 10. Рычаг 9 шарнирно связан с плитой 7 и шарнирно с корпусом 6 тягой 10. Рычаг 9 фиксирует одно из положений корпуса 6 на зубчатом секторе 11 посредством защелки, которая на схеме не показана.
Для ручного перемещения устройства, оно снабжено тягой 12, шарнирно связанной с плитой 7.
Устройство работает следующим образом.
От источника привода 1 вращение передается ведущему звену 2, который через звено 3 вращает ведомое звено 4 с дебалансным грузом 5. За счет особого расположения
осей шарниров звеньев 2 и 4, звена 3 и осей корпуса 6, ведомое звено 4, вместе с дебалансным грузом 5, будут иметь переменную на одном обороте угловую скорость, коэффициент неравномерности вращения которой определяется выражением:
sin а, • sin а 2
d =±2-1-^. (2)
cos а 2 -cos а, 4 7
Максимальное отах и минимальное отт значение угловой скорости ведомого кривошипа с дебалансом определяются выражениями:
cos а, cos а,
w =-1— w , w • =-— w, (3)
max л min л • ' V ->)
1 - sin а, 1 + sin а,
где о - угловая скорость ведущего звена 2.
При изменении угловой скорости, появляется ускорение вращающегося дебаланса 5, равное:
а = гл/Ючё2, (4)
где r - расстояние от оси вращения дебаланса до центра его массы; о - угловая скорость вращения дебаланса; g - угловое ускорение вращения дебаланса.
В результате появляется сила инерции - Р=т а (здесь т - масса дебаланса).
В моменты, когда угловая скорость о вращения дебаланса принимает максимальное и минимальное значения, угловое ускорение равно нулю, максимальное и минимальное значение силы инерции соответственно равны:
2 2 _ cos а, 2 D cos а, 2 /сч
Pmax = mr J-i""Ю , Pmn = тГ (, + - ^ Ю ' (5)
(1 - sin а,) (1 + sin а,)
Пример конструктивного воплощения устройства, при принятой массе дебаланса т=Ю кг, г=0Д м, о=!0 с_:1, а;=20°, минимальный и максимальный импульсы будут равны:
0 Q3Q62 0 Q3Q62
Pmin = ,0• 0Д 0,9396 2Ю2 = 49 Н, Pmax = Ю• 0,, 0,9396 Л02 = 204Н. min fl + 0,342)2 max fl - 0,342)2
При «7=60 и тех же данных т=10 кг, г=0,1 м, ^=10 с- импульсы равны:
0 52 0 52
р = 10. 0,1-?--102 = 72 Н, Ртах = 10 • 0,1-?--102 = 1388 Н.
т1П (1 + 0,866)2 тах (1 - 0,866)2
Как видно из примера, с увеличением угла а7 -значительно увеличивается величина силы инерции, при этом максимальное значение силы при угле а7=200 будет в 4,2 раза больше минимального, а при угле а7=600 максимальное значение в 192 раза больше минимального значения силы.
На рис. 2 обозначены Ртах, Ртт, Гтр - сила трения плиты о поверхность грунта. Площадь, ограниченная кривой Р=/@) и находящаяся над осью представляет собой импульс силы, при этом корпус 6 устройства расположен вертикально, т.е. силы участвуют только на уплотнение асфальта.
* р
— - fr. л~Ё1
ч>> VjTTT -tí
Рис. 2. График сил инерции (иллюстрация авторов)
Площадь кривой находящаяся ниже графика, сила направлена
противоположно.
Величины этих силовых импульсов равны, так как равны площади над осью и площадью под осью абсцисс. Однако амплитуда силы Р вниз существенно превышает амплитуду силы Р в противоположном направлении, чем создается эффективность уплотнения. Это уплотнение будет осуществляться на одном месте под плитой.
Для движения устройства вперед рычагом 9 перемещают корпус 6 назад, в результате чего он повернется на угол в и силовой импульс будет направлена под тем же углом в (рис. 3а). Сила Р раскладывается на составляющие силы: вниз - Рвн=Рсо$в и вперед - Рт=Рзтв.
Рис. 3. Схема действия сил (иллюстрация авторов)
Сила Рвн уплотняет грунт, а сила Рвп перемещает устройство вперед. Ход перемещения зависит от угла в и соотношения сил Рвп и силы трения Етр=т^ (/ -коэффициент трения).
На графике рис. 2 показаны соотношения сил трения и силы инерции Ртт=Рвн назад, движение в этом случае не происходит. В случае же Рвп, превосходящей силу трения, устройство перемещается вперед, с одновременным уплотнением асфальта.
Если рычаг 9 повернуть вперед, корпус 6 также повернется вперед, составляющая Рвп силы инерции (рис. 3б) в этом случае направлена назад, и, соответственно, движение устройства будет назад.
Таким образом, устройство одновременно уплотняет асфальт и перемещается вперед или назад без силового участия оператора.
На рис. 4 показан опытный образец корпуса с подвижными звеньями 2, 3, 4 и 5, в устройстве угол а2 равен 450.
Рис. 4. Корпус устройства (иллюстрация авторов)
Регулирование силового импульса в устройстве можно осуществлять еще на стадии проектирования, т.е. назначая углы - а] и а2, и расстояния - 1] и 12. Варианты параметров звеньев (а], 1]), определенные по выражению (1), звена 3 и корпуса 6 (а2, 12=200 мм) приведены в табл. 2 (12 принято равной 200 мм).
Таблица 2
Варианты параметров звеньев
№, пп «2, град «ь град ô ti, мм
1 15 2,59 25,36
2 30 20 4,64 34,20
3 25 10,48 42,26
4 28 27,71 46,14
5 15 1,42 73,20
6 45 20 2,08 96,71
7 25 2,99 119,53
8 30 4,44 141,42
9 15 0,96 59,77
10 60 20 1,35 78,98
11 25 1,80 97,60
12 30 2,36 115,47
13 15 0,53 51,76
14 90 20 0,73 68,40
15 25 0,93 84,52
16 30 1,15 100,00
Из табл. 2 видно, что наибольшее значение коэффициент ô неравномерности вращения дебаланса принимает при угле а2 осей вращения звеньев 2 и 4 (осей корпуса 6) и звена 3, равного 30 и 450, угол аг - целесообразен от 20 до 300.
При углах а2=600 и а2=900 степень неравномерности движения дебалансного груза мала и соответственно, малый эффект уплотнения.
Регулировать режим работы устройства можно частотой вращения ведомого и ведущего звеньев, увеличением массы дебалансного груза, а также общим весом устройства. Ознакомиться с аналогичными устройствами можно в монографии [10].
Заключение
1. Тяжелую уплотнительную технику нецелесообразно использовать при ямочном ремонте дорожного полотна, а малогабаритные устройства российского производства недостаточно эффективны и известны в ограниченном числе. Возникла практическая потребность в создании новой высокоэффективной техники, в том числе уплотнительной.
2. Разработано самодвижущееся малогабаритное эффективное устройство, использующее направленный силовой инерционный импульс и самопередвижение при работе.
3. Устройство не только эффективно уплотняет с высоким качеством, но и обеспечивает от одного источника привода самопередвижение устройства без участия оператора.
Список библиографических ссылок
1. Шестопалов К. К. Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины и оборудование. М. : Академия, 2009. 320 с.
2. Могилевич В. М. Дорожные одежды из цементогрунта. М. : Транспорт, 2002. 76 с.
3. Зубков А. Ф., Однолько В. Г. Технология строительства асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог. М. : Машиностроение, 2009. 224 с.
4. Мирсаяпов И. Т., Королева И. В., Сабирзянов Д. Д. Прочность и деформации глинистых грунтов при трехосном режимном чередующемся статическом и циклическом нагружении // Геотехника Беларуси: Наука и практика. 2013. С. 297-304.
5. Ушаков В. В., Ольховиков В. М. Строительство автомобильных дорог. М. : Академия, 2013. 536 с.
6. Al-Khateeb G. A new simplistic model for dynamic modulus predictions of asphalt paving mixtures // Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists. 2006. Vol. 75. 140 р.
7. Abu Abdo A. M. Sensitivity analysis of a new dynamic modulus (|E |) model for asphalt mixtures // Road materials and pavement design. 2012. Vol. 13. № 3. P. 549-555.
8. Kloubert H.-J. Basic principles of asphalt compaction. Boppard : Bomag GmbH. Hellerwald, 2009. 59 p.
9. Устройство для уплотнения грунта : пат. 2583802 Рос. Федерация. № 2015100377/03 ; заявл. 12.01.15 ; опубл. 10.05.16, Бюл. № 13. 5 с.
10. Мудров А. Г. Пространственные механизмы с особой структурой. Казань : РИЦ «Школа», 2003. 300 с.
Mudrov Alexander Grigorjevich
doctor of technical sciences, professor
E-mail: Alexmudrov42@rambler.ru
Kazan State University of Architecture and Engineering
The organization address: 420043, Russia, Kazan, Zelenaya st., 1
Mudrova Anna Alexandrovna
researcher
E-mail: annamudrova@mail.ru
Federal Service for Accreditation (Rosakkreditatsiya)
The organization address: 117312, Russia, Moscow, Vavilova st., 7
Self-propelled device for sealing of the roadway in the repair
Abstract.
Problem statement. In our country, every year the number of cars and trucks that increase the load on the roadway, gradually deteriorating its quality. On the so-called «patching» annually spent a lot of money. The repair requires mobile equipment, including soil and asphalt seals. While this technique is limited in quantity and imperfect.
The purpose of the study is to develop a self - moving small-sized effective device for compacting the roadway during repair.
Results. As a result of the study, a new small-sized sealing device is proposed, which uses a directed force effect on the compacted soil or asphalt coating, which not only effectively seals, but also provides self-movement of the device without the participation of the operator.
Conclusions. The significance of the results obtained for the construction industry is to create a new small-sized effective device for compacting soil and asphalt used to repair destroyed sections of the road surface.
Keywords: roadbed, sealing device, patching, inertial force pulses.
References
1. Shestopalov K. K. Lifting and transport, construction and road machinery and equipment. M. : Academy, 2009. 320 р.
2. Mogilevich V. M. Of the pavement from cement ground. M. : Transport, 2002. 76 p.
3. Zubkov A. F., Odnolko V. G. The technology of construction of asphalt pavements of motor roads. M. : Mashinostroyeniye, 2009. 224 p.
4. Mirsayapov I. T., Koroleva I. V., Sabirzyanov D. D. Strength and deformation clay soils under three-axis regime alternating static and cyclic loading // Geotekhnika Belarusi: Nauka i praktika. 2013. P. 297-304.
5. Ushakov V. V., Olkhovikov V. M. Сonstruction of highways. M. : Academia, 2013. 536 p.
6. Al-Khateeb G. A new simple model for dynamic modulus predictions of asphalt paving mixtures // Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists. 2006. Vol. 75. 140 р.
7. Abu Abdo A. M. Sensitivity analysis of a new dynamic modulus (|E |) model for asphalt mixtures // Road materials and pavement design. 2012. Vol. 13. № 3. P. 549-555.
8. Kloubert H.-J. Basic principles of asphalt compaction. Boppard : Bomag GmbH. Hellerwald, 2009. 59 p.
9. Device for soil compaction : patent 2583802 of the Rus. Federation. № 2015100377/03 ; decl. 12.01.15 ; publ. 10.05.16. Bull. in № 13. 5 р.
10. Mudrov А. G. Spatial mechanisms with a special structure. Kazan : EPC «Shkola», 2003. 300 р.
