ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

МАНАКІН ЄВГЕН АНАТОЛІЙОВИЧ

УДК 622. 138.22

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ УЩІЛЬНЕННЯ ГОРІЛИХ

ПОРІД ВИБОРОМ РАЦІОНАЛЬНИХ ПАРАМЕТРІВ

ВІБРАЦІЙНОГО КОТКА

Спеціальність: 05.05.04 – машини для земляних і дорожніх робіт

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донецькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:

кандидат технічних наук, професор

Будішевський Володимир Олександрович,

Донецький національний технічний університет МОН України, завідувач кафедри “Гірничозаводський транспорт і логістика”

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор, Кравець Святослав Володимирович, Національний університет водного господарства та природокористування МОН України, м. Рівне

- кандидат технічних наук, доцент Карпушин Сергій Олександрович, Кіровоградський національний технічний університет МОН України, м. Кіровоград

Провідна установа:

Полтавський національний технічний університет ім. Юрія Кондратюка МОН України, м. Полтава, кафедра будівельних машин та обладнання

Захист відбудеться 17 травня 2007 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 08.085.03 в Придніпровській державній академії будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а, ПДАБА.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Придніпровської державної академії будівництва і архітектури , 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а, ПДАБА.

Автореферат розісланий 16 квітня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої

ради К 08.085.03 Шаленний В.Т.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Однією з найважливіших операцій при будівництві практично будь-якого об'єкту є ущільнення ґрунтів. Від якості її виконання залежить не тільки міцність і стійкість споруд, але і термін його служби в цілому, підвищення його надійності і довговічності. Якісно виконане ущільнення дозволяє істотно підвищити несучу здатність і стійкість об'єкта, що споруджується, збільшити його водонепроникливість і, у більшості випадків, виключити імовірність осідання. У результаті ґрунт виявляється досить міцним, щоб витримати вплив постійних і тимчасових зовнішніх навантажень. Це сприяє значному скороченню витрат матеріальних засобів на утримання земляних споруд у процесі їхньої експлуатації.

Щільність ґрунту земляної споруди є основним чинником, який впливає на його стабільність, тому підвищені вимоги пред'являються до ґрунтоущільнювальних машин. Існує безліч різновидів машин для ущільнення, але в даний час найбільше поширення отримали самохідні котки. Практика використання різних типів котків, а також багатобічні експлуатаційні випробування, дозволили обґрунтувати раціональні конструктивні рішення, що є базою для інтенсивного розвитку котків комбінованої дії, або котків з різними типами впливу робочих органів на матеріал, що ущільнюється.

У той же час, розмаїтість умов і властивостей матеріалу, що ущільнюється, свідчить про те, що комбіновані котки досліджені ще недостатньо. Такі питання, як вибір оптимальних параметрів комбінованих котків, вивчення процесу ущільнення різних будівельних матеріалів і ґрунтів, де особливий інтерес в умовах Донбасу представляють відходи вугільної промисловості, вимагають спеціальних досліджень. Специфіка фізико-механічних властивостей таких відходів вимагає також проведення експериментальних досліджень з метою вивчення можливості ефективного їхнього використання при зведенні земляних споруд.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами Дисертація виконана на кафедрі гірничозаводського транспорту і логістики Донецького національного технічного університету в рамках держбюджетної теми М-2-01 “Дослідження можливостей і шляхів впровадження в навчальний процес нових дидактичних матеріалів навчання інженерній механіці і менеджментові”, держбюджетної теми Н-14-05 (Номер держреєстрації 0105U007663) “Розвиток теорії і розрахунки підйомно-транспортних машин і їхніх вузлів”, у яких автор брав участь як виконавець.

Мета і задачі дослідження

Метою роботи є підвищення ефективності і технічного рівня вібраційних котків для ущільнення горілих порід за рахунок науково обґрунтованих параметрів динамічного режиму ущільнення з урахуванням фізико-механічних характеристик маси, що ущільнюється.

Для досягнення поставленої мети сформульовані та вирішені наступні задачі дослідження:

– розробити математичну модель, що описує динамічний стан вібраційного котка, і враховує геометричні і кінематичні умови взаємодії циліндричної поверхні вальця з пружно-в’язким середовищем, і математичну модель, що описує у одномірному представленні динамічні релаксаційні деформації ґрунту, що приводять до його ущільнення;–

на підставі чисельного імітаційного моделювання дослідити динамічні процеси ущільнення, обґрунтувати раціональні параметри системи вібраційного впливу і розробити методику їхнього розрахунку;–

здійснити верифікацію розробленої математичної моделі на спеціально створеному експериментальному стенді;–

розробити і впровадити в навчальний процес й у практику проектування вібраційного котка інтерактивний програмний комплекс і методику розрахунку раціональних параметрів.

Об’єкт дослідження – вібраційний стан котка з механічним віброзбудником спрямованої дії та хвильові процеси в пружно – релаксаційному середовищі.

Предмет дослідження – параметри динамічного процесу ущільнення, амплітудно-частотні характеристики системи, фазові портрети, релаксаційні стани ґрунту, час та глибина релаксації, ядро ущільнення.

Методи досліджень засновані на застосуванні основних принципів аналітичної механіки і математичної фізики при виведенні рівнянь динамічних станів, теорії диференційних рівнянь при побудові коректних рішень, обчислювальних методів і програмування при створенні дослідних і прикладних програмних модулів. Експериментальні дослідження динаміки ущільнення ґрунтувалися на застосуванні сучасної апаратури реєстрації і запису динамічних процесів.

Наукова новизна одержаних результатів

1. Обґрунтовано загальну математичну модель динамічних станів вібраційного котка в рамках класичної пружно – в’язкої моделі Прандтля і динамічної пружно–релаксаційної моделі ґрунту, в якій вперше враховуються геометричні і кінематичні умови взаємодії циліндричної поверхні вальця з пружно-в’язким середовищем.

2. Встановлено кількісні залежності динамічної активності системи (амплітуди та частоти коливань віброзбудника та виконавчого органа котка) від фізико – механічних характеристик ґрунту.

3. Встановлено області резонансних станів віброзбудника та виконавчого органу котка і виявлено явища біфуркаційного і хаотичного руху.

4. Вперше теоретично обґрунтовано явища релаксаційного ущільнення ґрунту, отримано вираз для глибини релаксації, ядра ущільнення, щільності ґрунту.

Практичне значення одержаних результатів полягає:–

в обґрунтуванні конструктивних і фізичних параметрів вібраційного котка, що забезпечують ефективне ущільнення ґрунту;–

у розробці спеціальних програмних модулів для імітаційного моделювання динамічних процесів вібраційного ущільнення.

Реалізація висновків і рекомендацій роботи. Результати дисертаційної роботи застосовані при заміні ділянки полотна дороги на шахті “Курахівська” ДХК “Селідіввугілля”. Трестом “Донбасдорбуд” ДСТ№17 і ДСТ№31, АТЗТ “Донецьке спеціалізоване управління екскавації” використані методичні рекомендації з розробки й обґрунтування раціональних параметрів і режимів одновальцьових вібраційних котків. Інтерактивний програмний модуль використовується в навчальному процесі Донецького національного технічного університету при підготовці фахівців зі спеціальності “Підйомно-транспортні, будівельні, дорожні машини й устаткування”.

Особистий внесок здобувача визначається одержаним ним науковим результатом, що виноситься на захист: а саме у роботах [4, 6, 7, 10]- розробка морфологічної карти, аналіз впливу факторів і експертні оцінки; у роботі [1]- виведення рівнянь руху; у роботах [2, 5, 12]- розробка математичної моделі; у роботі [11]- виведення релаксаційних рівнянь; у роботі [8]- побудова амплітудно-частотних характеристик і фазових портретів.

Апробація результатів дисертації. Про матеріали дисертації автор доповідав на засіданні секції “Підйомно-транспортні машини” Науково-методичної ради інженерної механіки Міністерства освіти і науки України і з’їзді Підйомно-транспортної Академії наук України (м. Маріуполь, 2001р.), на міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми механіки гірничо-металургійного комплексу”, Національний гірничий університет (м. Дніпропетровськ, 2002р.), на науково-технічній конференції, присвяченій 75-річчю Науково-дослідного інституту гірничої механіки імені М.М. Федорова (м. Донецьк, 2004р.), на науково-технічних конференціях “Гірнича енергомеханіка і автоматизація” ДонНТУ,( м. Донецьк, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005р.), на науковому семінарі кафедри “Будівельні і дорожні машини” Придніпровської державної академії будівництва та архітектури (м. Дніпропетровськ, 2005р.), на засіданні кафедри “Підйомно–транспортних, будівельних, дорожніх машин та обладнання” Харківського національного автомобільно-дорожнього університету (м. Харків, 2005р.), на розширеному засіданні кафедри “Гірничозаводський транспорт і логістика” ДонНТУ (м. Донецьк, 2006р.).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 12 друкованих праць, з яких 2 одноосібні, 10 – у спеціалізованих фахових виданнях.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 6-ти розділів, висновку, списку використаних джерел із 135 найменувань і 7-ми додатків. Містить 170 сторінок машинописного тексту, у тому числі 34 рисунків і 9 таблиць.

ЗМІСТ РОБОТИ

У ВСТУПІ обґрунтовано актуальність питання, сформульовані мета роботи, наукова новизна та практична цінність. Наведена загальна характеристика роботи, сформульовані основні положення та результати, що виносяться на захист.

У ПЕРШОМУ РОЗДІЛІ виконаний огляд та аналіз існуючих методик розрахунку раціональних параметрів котка, а також проведений аналіз їх конструктивного виконання, і засоби ущільнення ґрунту.

У становлення і розвиток теоретичних і експериментальних основ механіки ґрунтів, розвиток способів і засобів обробки ґрунтів внесли вагомий внесок вітчизняні і закордонні вчені: Абрашкевич Ю.Д., Баладінський В.Л., Баловнєв В.І., Батраков О.Т., Бауман В.О., Березанцев В.Г., Васильєв Ю.М., Вебер Дж., Вєтров Ю.О., Зєлєнін А.М., Іванов П.Л., Кравець С.В., Назаренко І.І., Назаров Л.В., Нічке В.В., Пітч Д., Пенчук В.О., Попов В.Г., Сівко В.Й., Форссблад Л., Хархута М.Я., Хмара Л.А., Холодов А.М. та ін.

Незважаючи на такий представницький склад вчених, теоретичні основи ущільнення ґрунтів вібраційним способом усе ще вимагають уточнень і перегляду підходів у частині особливостей взаємодії циліндричної поверхні котка з пружно-пластичним ґрунтом, врахування структурних особливостей ґрунту, що в першу чергу стосується горілих порід шахтних відвалів, які складаються з відносно міцних складових і крихких фракцій.

Гранулометричний склад горілих порід, узятих із проб трьох вугільних підприємств, відрізняється між собою несуттєво. Вміст великих зерен щебеню складає , а дрібних фракцій менш – до 25 %. Дослідження міцнісних параметрів цих фракцій свідчить про те, що більш великі фракції мають міцність приблизно на 40 % нижче, ніж дрібні, отже, процес ущільнення такого неоднорідного середовища явно носить дискретний характер: спочатку руйнуються більш великі частки, а потім – дрібні. І ця особливість змушує до пошуку адекватної математичної моделі ущільнення горілих порід.

У ДРУГОМУ РОЗДІЛІ наведено залежності вибору устаткування, для ущільнення, з безлічі різних його типів від різноманітності у властивостях матеріалів. При цьому ефективність процесу ущільнення визначається декількома факторами, найважливішими з яких є різновид матеріалу, вологість, метод ущільнення, витрачена енергія й ін.

Різноманітність машин для ущільнення ґрунту, розходження у способі ущільнення і їхніх конструктивних параметрів відповідно до розробленої класифікації дає близько 450 тис. варіантів сполучень по різних ознаках. Класифікація машин для ущільнення, з функціональними і структурними ознакам дає упорядковане уявлення про тенденції прогресу в даній галузі, дозволяє науково обґрунтовано приймати рішення при розробці зразків нової техніки і технології. Як показав виконаний на підставі експертних оцінок аналіз, найбільш ефективною машиною для ущільнення горілих порід є самохідна колісна установка з причіпним котком, робочий орган якого являє собою один металевий валець з вмонтованим або приєднаним до нього інерційним віброзбудником спрямованої дії.

У ТРЕТЬОМУ РОЗДІЛІ наведено аналітичний опис взаємодії робочого органу вібраційного котка з ґрунтом. Принципова розрахункова схема такого котка зображена на рис. 1, де також показана система відліку координат рухливих елементів котка.

Тут позначено: 1 – віброзбудник (вібратор); 2 – корпус котка; 3 – пружні елементи; 4 – ударник вібратора; 5 – валець котка; – координата центру ваги віброзбудника; – координата центру ваги корпусу котка; – координата центру інерції елемента віброзбудника, що обертається; – кут повороту маси віброзбудника, яка обертається; – зазор між зіткненими молотом і ковадлом ударника (в обмежнику коливань); – горизонтальна швидкість руху котка; – вертикальна складова реакції ґрунту, залежність якої від переміщень котка і його параметрів наведена нижче; – конструктивний параметр.

Рівняння динамічного стану такої механічної системи щодо переміщень корпусу віброзбудника , вальця і кута повороту дебалансу отримані на підставі рівнянь Лагранжа і мають для так званих систем “з необмеженою потужністю”, коли можна вважати, що де – циклічна частота обертання неврівноважених віброзбудних мас, наступну структуру:

(1)

де і – відповідно маси корпусу віброзбудника, корпусу котка, власне віброзбудника і коефіцієнти їхніх пружно–в’язких опорів; – ексцентриситет неврівноваженої маси віброзбудника. Нелінійна функція взаємодії корпусу віброзбудника з корпусом котка визначається співвідношеннями:

(2)

де – відповідно коефіцієнти твердості пружної підвіски віброзбудника і системи “молот-ковадло” при ударній взаємодії з обмежником коливань.

Рівняння системи (1) – нелінійні, причому їх нелінійність обумовлена, по-перше, наявністю обмежника коливань, що обумовлює вібраційні процеси, що описують функції (2), а по-друге, нелінійним характером залежності реакції ґрунту від переміщення вальця . Для визначення залежності була прийнята пружно-пластична модель Прандтля. Вважаючи, що , допускається для подібного типу досліджень, похилі ділянки в діаграмі Прандтля замінити вертикальними лініями, і тоді, завдяки прийнятті у роботі так званої гідростатичної аналогії, із урахуванням сполучення циліндричної поверхні вальця з поверхнею ґрунту, який зминається, було одержано:

(3)

де , , причому – повна маса котка, – напруга плинності ґрунту в моделі Прандтля, – відповідно радіус і ширина вальця, – прискорення вільного падіння; – квазидинамічне зминання ґрунту (тобто без обліку вібрації), обумовлене виразом .

На рис. 2 і рис. 3 представлені деякі результати рішень системи рівнянь (1) з урахуванням нелінійних функцій (2) і (3) і прийнята і (величина квазидинамічного зминання на рисунках позначена пунктирною лінією).

Рис. 2 зображує стаціонарні (усталені) коливання корпусу віброзбудника і вальця в режимі їхніх змушених коливань на частоті 3 Гц. При цьому амплітуди і частоти коливань є постійними, і валець коливається без відриву від ґрунту. На частоті 10 Гц (рис. 4) уперше для досліджуваної системи виявлено явища так званої біфуркації коливань, коли період коливань елементів котка збільшується в два рази, і при цьому амплітуди коливань періодично приймають два різні значення. Цей режим варто вважати неприйнятним для практики, тому що при цьому очікується нерівномірність ущільнення ґрунту.

Заздалегідь теоретично прогнозувати біфуркаційні стани не можливо, але їх можна виявляти в результаті побудови амплітудно-частотних характеристик котка з конкретно прийнятими параметрами.

Так, на рис. 4 зображені амплітудно-частотні характеристики корпусу котка, з яких видно, що біфуркаційні коливання виявляються на частоті збудження біля 10 Гц, у якій крива амплітуди як би роздвоюється, утворюючи своєрідну петлю. Амплітудно-частотні характеристики дозволяють також знайти резонансні стани системи, що доведено в роботі вперше. У даному прикладі основний резонанс відбувається на частоті збудження біля 20 Гц.

Додаткову якісну інформацію про характер вібраційного стану котка вносять так звані “фазові портрети коливань”. Деякі з них показані на рис.5. Тут, ліворуч, зображена типова фазова траєкторія сталого руху віброзбудника, що відповідає біфуркаційоному стану системи, що представляє собою замкнуту криву. Праворуч зображена фазова траєкторія, що відповідає хаотичному рухові, при якому фазова траєкторія являє собою не замкнуту криву. Цей результат одержаний у роботі вперше. Хаотичні коливання, як і біфуркаційні, варто вважати неприйнятними для практики, і тому від таких режимів необхідно відмовлятися при розрахунку котка.

У ЧЕТВЕРТОМУ РОЗДІЛІ наведено залежності стискнення ґрунту в результаті дії на нього стискаючого зусилля. Розроблена математична модель динамічного стану вібраційного котка в концепції пружно-пластичної моделі Прандтля дозволяє описати поводження вібраційного котка як механічної системи, але, в той же час, інформація такого роду аж ніяк не дає уявлення про інтегральну величину залишкового зминання ґрунту в якій-небудь точці на його поверхні протягом часу перебування цієї точки під дією вібраційного навантаження, і, тим більше, про глибину поширення деформації зминання, що є одним з найважливіших факторів оцінки ефективності вібраційного способу ущільнення ґрунту.

Дотепер для опису напруженого і деформованого стану ґрунту традиційно використовуються методи теорії пружності, пружно-пластичні моделі Ньютона, Максвелла, Генки, Сен-Венана, Рейса, Прагера й ін. Мета дослідження глибини ущільнення вимагає залучення пружно-пластичних моделей, розглянутих, хоч би, у двомірній системі координат, тому, що саме в такій постановці виявляється прояв відомого принципу близькодії Сен-Венана. До такого роду проявів близькодії відноситься, наприклад, виникнення особливих структурних утворень при ущільненні ґрунту, названих ядром ущільнення, що виявляються в безпосередній близькості до точки прикладання зовнішніх навантажень (Ю.О. Вєтров, А.М. Зєлєнін, В.О.Пенчук , К. Терцаги, С. В. Кравець і ін.).

Процес стиснення ґрунту в результаті дії на нього стискаючого зусилля є необоротним на відміну від стиску пружних середовищ, і, в той же час, цей процес повною мірою не володіє ознаками плинності, що є наслідком порушення міжкристаличності зв'язків у первісному пружному тілі. У ґрунті усе виглядає набагато складніше через передбачувані нами динамічні релаксаційні явища, обумовлені, у відомому сенсі, особливостями його макроструктури (під цим словом мається на увазі склад ґрунту на рівні візуально помітних фрагментів, що складають і формують своєрідне середовище, що називають “ґрунтом”).

Саме особливості макроструктури ґрунту наводять на думку про наявність у ньому трьох основних компонентів: відносно масивних твердих включень, пружних (або в’язко - пружних) сполучних і які незворотно деформуються крихких (руйнівних) фракцій, завдяки останнім, у визначені моменти часу потенційна енергія, що накопичується, у пружно-стислих зв'язках практично миттєво “розряджається”, здійснює руйнування крихких фракцій і, викликаючи цим самим взаємне зближення твердих включень, у чому і полягає динамічний релаксаційний характер деформації, як його розуміють у теорії нелінійних коливань. Цей же термін, використаний у нашому дослідженні, має сенс динамічного розвитку процесів свого роду колапсу часток середовища, викликаного локальними, майже миттєвими, руйнуваннями.

Практично “вибуховий” характер мікропереміщень є, очевидно, основною особливістю ґрунту, причому самі мікропереміщення мають локально-дискретний розподіл у просторі саме в тих місцях, де потенційна енергія деформацій пружних зв'язків досягає максимуму і здатна викликати незворотне руйнування крихких фракцій.

Таким чином, локально-дискретне руйнування виникає з найбільшою імовірністю і, насамперед, безпосередньо біля навантажень, що прикладаються до ґрунту, і, в міру зростання інтенсивності останніх, поступово поширюється і на сусідні ділянки. Такий характер розвитку руйнувань саме і підпорядковується згаданому вище загальнофілософському принципові “близькодії” Сен-Венана.

У спрощеній одномірній схематизації, фізична модель ґрунту, що ущільнюється, може бути представлена у вигляді послідовності твердих тіл, кожне з яких взаємодіє із сусідніми за допомогою в’язко-пружно-фрикційних зв'язків, як це зображено на рис. 6.

Динамічний стан такої системи описується релаксаційними рівняннями:

, (4)

причому у фазі пружно-в’язкої взаємодії

, (5)

а у фазі руйнування крихких фракцій –

. (6)

Тут – абсолютна координата зазначених матеріальних точок, причому , як координата маси (див. рис. 6), передбачається така, що змінюється в часі по заданому законові , і в цьому випадку , по суті справи, є ніщо інше, як результат інтегрування системи рівнянь (1) щодо переміщення корпусу котка. Граничний випадок відповідає координаті правої граничної точки розглянутої на рис. 6 одномірної послідовності трикомпонентних ланок. Вважається, що ця точка досить відокремлена від маси , і , тобто передбачається величиною заданою і незмінною в часі, причому товщина шару ґрунту не зв'язана з числом , тому що загальна кількість трикомпонентних ланок може бути довільною.

У співвідношеннях (4), (5), (6) також позначено: – відповідно маса, коефіцієнт пружно-в’язкого опору в рамках гіпотези внутрішнього тертя, коефіцієнт твердості пружного зв'язку для зазначеного го елемента; – міцністний параметр, що означає величину граничної сили зчеплення в тому фрикційному зв'язку, що відповідає силі руйнування крихких фракцій (на рис. 6 ці зв'язки символічно зображені у вигляді “взаємно тертьових пластин”, як це прийнято позначати в механіці). Міцністний параметр відповідає прийнятому в механіці ґрунтів термінові структурної міцності. У рівнянні (5), крім того, і означають первісні значення параметрів і , і при цьому , де – динамічні релаксаційні зрушення, обумовлені співвідношенням:

. (7)

У той же час, параметр має фізичний сенс пористості ґрунту.

Для порівняння, на рис. 7 показані два процеси коливань частинок ґрунту при зовнішньому гармонійному порушенні для випадку абсолютно пружного й пружно-релаксаційного середовища, яке описується рівняннями (4)-(7). Тут прийнято .

Звідси видно, що поява динамічних релаксаційних зрушень, насамперед у верхніх шарах ґрунту, приводить до явно вираженої неоднорідності деформацій, що є науковим підтвердженням принципу близькодії Сен-Венана.

Процес формування релаксаційних зусиль у різних шарах ґрунту по глибині показано на рис. 8, звідки видно, що процес релаксаційних зрушень продовжується протягом обмеженого часу, названого нами часом релаксації. Цей параметр відіграє важливу роль при призначенні раціональної швидкості переміщення котка.

Тут – зусилля взаємодії двох сусідніх дискретних мас у відносних одиницях; – безрозмірний час релаксації.

Деякі залежності відносного сумарного релаксаційного зрушення (стискальності ґрунту) від основних відносних параметрів системи: статичної і динамічної складової вібрації, частоти вібрації , міцності крихких фракцій наведені на рис. 9. Обробка численних такого роду графіків дозволила прийти до наступних розрахункових формул щодо релаксаційного зрушення , глибини релаксації , ядра ущільнення і щільності ґрунту :

(8)

Тут позначено:

,

,

(9)

де – товщина шару, що ущільнюється, - коефіцієнт пористості, - напруга плинності, - модуль пружності ґрунту і , - параметри циклу вібраційного навантаження.

Формулами (9) встановлюються взаємозв'язки абстрактних параметрів прийнятої одномірної моделі ґрунту з характеристиками, що реально вимірювались: товщиною шару, що ущільнюється, коефіцієнтом пористості, напругою плинності і модулем пружності ґрунту, параметрами циклу вібраційного навантаження.

У П’ЯТОМУ РОЗДІЛІ наведені результати експериментальних досліджень. Експериментальні дослідження котка проводилися для:–

верифікації математичної моделі взаємодії вібраційного котка з масою ґрунту, що ущільнюється;–

верифікації математичної моделі ущільнення ґрунту як динамічного релаксаційного процесу.

У зв'язку з чим було поставлено наступні задачі експерименту:

1. Записати вібраційне переміщення вальця котка в часі при його рівномірному горизонтальному переміщенні з різною швидкістю, у тому числі рівної нулеві, і визначити його фактичну амплітуду коливань у залежності від частоти вібрацій.

2. Методом планування експерименту визначити середньозважену по глибині щільність ґрунту в залежності від амплітуди, частоти, швидкості котка і товщини шару ґрунту, що ущільнюється.

Для здійснення поставлених задач був розроблений і виготовлений спеціальний стенд (рис. 10), що імітує одновальцевий вібраційний коток. У результаті обробки експериментальних даних отримана підсумкова формула регресії для щільності ґрунту. У роботі показано, що коефіцієнти цієї формули не більше ніж на 12 % відрізняються від відповідних коефіцієнтів у формулі для щільності ґрунту (8) у її лінійному представлені рядом Тейлора.

На рис. 11 приведена одна з численних експериментальних осцилограм вібрації вальця котка на частоті зовнішнього збудження . Звідси видно, що, в даному випадку, процес носить явно виражений біфуркаційний характер, для якого чітко простежується “подвоєння” періоду коливань (ціна одного ділення на осцилограмі по горизонтальній осі відповідає , по вертикальній – ). При цьому перший і другий компоненти руху мають практично стабільні амплітуди.

На рис. 12 показано результати моделювання процесу вібрації вальця з вихідними параметрами, що відповідають лабораторній стендовій установці.

Порівняння приведених процесів вібрації вальця дозволяє констатувати наступні факти:–

насамперед, спостерігається задовільна відповідність експерименту і теорії у відношенні біфуркаційних явищ – в обох прикладах дійсно має місце подвоєння періоду коливань вальця;–

максимальний розмах коливань вальця в експерименті склав приблизно , а за результатами моделювання – , тобто відносне відхилення можна вважати таким, що не перевищує 5 %;–

найменші частоти коливань вальця, при однаковій в обох прикладах частоті зовнішнього збудження , практично цілком збігаються;–

співвідношення середніх значень біфуркаційних амплітуд в експерименті й у теорії складають приблизно 2,1 і 2,5, тобто відносне відхилення – менш ніж 16 %.

Відповідно до поставленої в роботі задачі експерименту було потрібно знайти залежність щільності оброблюваного ґрунту від частоти вібрації , швидкості горизонтального переміщення котка , товщини шару ґрунту , що ущільнюється. Ця залежність представлена, у такому формалізованому виді (план другого порядку):

, (10)

де – алгебраїчне збільшення товщини шару, що ущільнюється, до деякої середньої величини , що в експерименті було прийнята рівною; і – деякі константи, що підлягають визначенню методом найменших квадратів. Саме в такому виді будувалося рівняння регресії на основі результатів планованого експерименту, що передбачав проведення серії дослідів відповідності з відомими методиками. При цьому фізичні перемінні змінювалися в наступних діапазонах:

.

Відтворюваність результатів експериментів перевірялася по ознаці однорідності дисперсій за критерієм Фішера при рівні значимості, рівним 0,05. При цьому за допомогою критерію Стюдента встановлено, що в рівнянні регресії (10) коефіцієнти є незначущими, а для коефіцієнтів отримані наступні значення:

.

Таким чином, підсумкова функція регресії виглядає у формі:

, (11)

звідки випливає важливий висновок про те, що щільність ґрунту збільшується при збільшенні частоти вібрації й зменшенні швидкості й товщини шару, що не суперечить відомим експериментальним фактам.

Для зіставлення отриманої експериментальної залежності (11) з теоретичними результатами, що випливають з розробленої динамічної релаксаційної моделі, вираження (8) для було представлено у формі

.

Порівнюючи ці результати з (11), переконуємося в тім, що коефіцієнти й у регресійній формулі відрізняються від їхніх теоретичних аналогів відповідно на 4 і 15 %. Ця обставина свідчить про досить прийнятні для практики якісний й кількісний збіг теоретичних і експериментальних результатів.

У ШОСТОМУ РОЗДІЛІ наведені програмні засоби, методичні вказівки з розрахунку параметрів котка. Виведені на підставі викладених математичних моделей узагальнені формули (8), дозволяють встановити взаємозв'язок основних механічних параметрів котка і параметрів збудника, визначити раціональну швидкість котка, потужність приводу збудника і потужність приводу тягового органу. Ці формули складають основу “Методичних вказівок з розробки й обґрунтування раціональних параметрів і режимів одновальцьових вібраційних котків”.

Програмний інтерактивний модуль імітаційного моделювання статичних і динамічних станів вібраційних котків і “Методичні рекомендації з розробки й обґрунтування раціональних параметрів і режимів одновальцьових вібраційних котків” стали об'єктами впровадження результатів роботи. Дані матеріали впроваджені на шахті “Кураховська” ДХК “Селідовугілля” при заміні ділянки полотна дороги, трестом “Донбасдорбуд” ДСТ№17 і ДСТ№31, АТЗТ “Донецьке спеціалізоване управління екскавації”, також в навчальному процесі ДонНТУ.

ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, у якій наведено нове рішення актуальної наукової задачі теоретичного й експериментального обґрунтування параметрів і режимів вібраційного ущільнення горілих порід.

Використання результатів роботи за допомогою імітаційного моделювання різних режимів ущільнення дозволяє на стадії проектування вібраційного котка знайти раціональні співвідношення основних параметрів котка для конкретних експлуатаційних умов.

Основні висновки, теоретичні і практичні результати роботи:

1. Найбільш ефективною машиною для ущільнення горілих порід є самохідна колісна установка з причіпним котком, робочий орган якого являє собою один металевий валець з вмонтованим або приєднаним до нього інерційним віброзбудником спрямованої дії.

2. На основі пружно-пластичної моделі Прандтля отримано замкнуту систему нелінійних диференціальних рівнянь взаємодії вальця з ґрунтом у динамічному режимі.

3. Одержані амплітудно-частотні характеристики розглянутого вібраційного котка дозволили вперше знайти області резонансних станів по шкалі частоти вібраційного збудження, області біфуркаційних станів (подвоєння періоду коливань вальця), області хаотичних (неупорядкованих) коливань.

4. Уперше розроблена динамічна релаксаційна модель ґрунту при вібраційному навантаженні. Локально-дискретне руйнування виникає з найбільшою імовірністю і, насамперед, безпосередньо біля навантажень, що прикладаються до ґрунту, і, в міру зростання інтенсивності останніх, поступово поширюється на сусідні ділянки.

5. Динамічна релаксаційна модель ґрунту при вібраційному ущільненні дає можливість обчислювати такі важливі фізичні параметри, як величина зминання, глибина ущільнення, висота ядра ущільнення, а також величина середньозваженої щільності ґрунту.

6. Встановлено час релаксації, завдяки якому релаксаційні зрушення (фази руйнування крихких фракцій) цілком припиняються, і коливання дискретних мас набувають сталий характер, що дозволяє визначити такий важливий технологічний параметр, як верхню межу швидкості пересування котка.

7. Розроблена і виготовлена лабораторна стендова модель вібраційного котка із широким діапазоном зміни частоти вібрацій, швидкості пересування і товщини шару ґрунту, що ущільнюється, дозволила здійснити комплекс експериментальних досліджень з метою верифікації математичних моделей динамічного стану котка і динамічних упруго-релаксаційних процесів у ґрунті.

8. Теоретично передбачені біфуркаційні явища підтверджуються експериментом на лабораторній стендовій моделі, звідки випливає, що подвоєння періоду коливань вальця, при деяких цілком конкретних частотах зовнішнього збудження (для даного експериментального стенду – це біля частоти ), є об'єктивною властивістю подібного роду механічних систем.

9. Відносне відхилення максимального розмаху коливань вальця в експерименті й обчисленого за результатами моделювання не перевищує 5 %. Відносне відхилення відношення середніх значень біфуркаційних амплітуд в експерименті й у теорії не перевищує 16 %. Отримана регресійна лінійна залежність щільності ґрунту, що ущільнюють, від частоти вібрацій і товщини шару ґрунту з відносною розбіжністю не більш 15 % відповідає теоретичній формулі, яка випливає з динамічної пружно-релаксаційної моделі ґрунту.

10. Розроблені методичні принципи розрахунку раціональних параметрів вібраційного котка. Встановлено, що потужність котка нижче на 20...80% потужності серійних котків при зменшенні на 20...30% його маси.

11. Програмний інтерактивний модуль і методика розрахунку, прийняті трестом “Донбасдорбуд” ДСТ№17 і ДСТ№31, АТЗТ “Донецьке спеціалізоване управління екскавації”, і використані при проектуванні вібраційних котків і визначення раціональних режимів їхньої експлуатації, а також при заміні ділянки полотна дороги на шахті “Курахівська” ДХК “Селідіввугілля”, тривалий час використовуються в навчальному процесі Донецького національного технічного університету, сприяють підвищенню надійності, ефективній експлуатації вібраційних котків і поліпшенню якості підготовки фахівців зі спеціальності “Підйомно-транспортні, будівельні, дорожні машини й устаткування”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Манакин Е.А. Расчет параметров рабочего органа вибрационных машин // Машиноведение и детали машин. – Донецк: ДонГТУ, 2000. – С.49-51.

2. Манакин Е.А. Основы процесса уплотнения грунтов и выбор материалов для строительства земляных сооружений в условиях Донбасса // Интенсификация рабочих процессов строительных дорожных машин. // Сб. науч. тр.Дн-ск: ПГАСиА, 2002.- Вып. 15. – С. 66-68.

3. Дворников В.И., Манакин Е.А. Динамические процессы при уплотнении вибрационными катками // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Международный сборник научных трудов. - Донецк: ДонГТУ, 1998.- Вып.6. – С. 232-233.

4. Будішевський В.О., Манакін Є.А. Аналіз факторів, що впливають на ефективність процесу ущільнення матеріалів // Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури: ДонДАБА, 2000.- Вип. 5. – С. 3-6.

5. Дворников В.И., Манакин Е.А. Математическая модель вибрационного катка // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сборник научных трудов.-Донецк: ДонГТУ, 2000.- Вып. 9. - С. 49-55.

6. Будишевский В.А., Манакин Е.А. Анализ конструктивных элементов и обоснование выбора машин для уплотнения материалов // Наукові праці Донецького державного технічного університету. – Донецьк: ДонДТУ, 2001.-Вип. 27. – С. 83-88.

7. Будишевский В.А., Манакин Е.А. Исследование структурообразования процесса уплотнения материала // Наукові праці ДонНТУ. Серія гірничо-електромеханічна. – Донецьк: ДонНТУ, 2002.-Вип. . – С. 58-63.

8. Дворников В.И., Манакин Е.А. и др. Амплитудно-частотные характеристики нелинейного ассимметрического осцилятора // Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури: ДонДАБА, 2002.-Вип. 5. – С. 76-81.

9. Будишевский В.А., Манакин Е.А. Исследование структуры и параметров оборудования для уплотнения материалов // Підйомно-транспортна техніка: Науково-технічний та виробничий журнал. Одеський національний політехнічний університет, Підйомно-транспортна академія наук України, 2003.- Вип. 1. – С. 52-65.

10. Дворников В.И., Будишевский В.А., Манакин Е.А. Динамическая упруго- релаксационная модель уплотнения грунта фундаментов шахтных стационарных установок // Проблемы эксплуатации оборудования шахтных стационарных установок: Материалы научно- технической конференции, посвященной 75- летию НИИГМ имени М.М. Федорова / Под общей редакцией д.т.н., проф. Б.А. Грядущего. – Донецк, 2004.– Вып. 98. – С. 96-104.

11. Дворников В.И., Будишевский В.А., Манакин Е.А. Математическая модель вибрационного катка // Научно – технический и производственный сборник статей. Вибрация машин: измерение, снижение, защита: ДонНТУ, 2005.- Вып. 1. - С. 76-79.

12. Дворников В.И., Манакин Е.А. Исследование процесса уплотнения грунтов вибрационным способом // Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури: ДонДАБА, 1999.- Вип. 4. – С. 82.

АНОТАЦІЯ

МАНАКІН Є.А. Підвищення ефективності ущільнення горілих порід вибором раціональних параметрів вібраційної котка. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.04 – машини для земляних і дорожніх робіт. Придніпровська державна академія будівництва і архітектури, м. Дніпропетровськ, 2006.

Захищається дисертаційна робота, у якій дається нове рішення актуальної наукової задачі, що полягає у встановленні параметрів і режимів роботи вібраційного котка для раціонального ущільнення горілих порід.

Розробка науково обґрунтованих методологічних принципів розрахунку раціональних параметрів вібраційних котків являє собою актуальну народногосподарську задачу у зв'язку з перспективою будівництва в Україні мережі високошвидкісних автомобільних доріг, що відповідають європейському рівневі.

Ключові слова: вібраційний коток, ущільнення, горіла порода, робочий орган, раціональні параметри.

АННОТАЦИЯ

МАНАКИН Е.А. Повышение эффективности уплотнения горелых пород выбором рациональных параметров вибрационного катка. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.04 – машины для земляных и дорожных робот. Приднепровская академия архитектури и строительства, г. Днепропетровск, 2006.

Защищается диссертационная работа, в которой дано новое решение актуальной научной задачи, заключающейся в установлении параметров и режимов работы вибрационного катка для рационального уплотнения горелых пород.

Разработка научно обоснованных методологических принципов расчета рациональных параметров вибрационных катков представляет собой актуальную народно-хозяйственную задачу в связи с перспективой строительства в Украине сети высокоскоростных автомобильных дорог, отвечающих европейскому уровню.

Рассматриваемая в работе физическая модель вибрационного катка представляет собой четырех массовую нелинейную механическую систему, включающую массу вибровозбудителя с двумя вращающимися во взаимно противоположных направлениях дебалансами, и приведенную массу корпуса катка с вальцом.

Используемая упруго-пластическая модель Прандтля применительно к деформационному состоянию уплотняемого грунта с учетом кинематических особенностей качения цилиндрического вальца по сминаемому грунту позволила получить замкнутую систему дифференциальных уравнений взаимодействия вальца с грунтом в динамическом режиме.

Проведенный анализ решений уравнений движения вибрационного катка свидетельствует о том, что назначение рациональных параметров катка может быть выполнено лишь в результате всестороннего изучения его амплитудно-частотных характеристик, фазовых портретов и разверток движения во времени в широком диапазоне частот внешнего возбуждения. Предпосылкой достоверных выводов на этом основании является тщательно выверенные и обоснованные исходные данные, как по механической части катка, так и по физическим параметрам обрабатываемого грунта.

Впервые разработанная динамическая релаксационная модель грунта при вибрационном нагружении представляет собой одномерную последовательность твердых тел с упруго-вязкими и фрикционными связями, имитирующая непрерывную совокупность относительно массивных твердых включений, упругих и вязких связующих и хрупких необратимо деформируемых, разрушающихся фракций грунта.

Ключевые слова: вибрационный каток, уплотнение, горелая порода, рабочий орган, рациональные параметры.

SUMMARY

МАNАКYN E.A. Increasing of the burnt breeds compression efficiency by the selection of the rational parameters of the vibrating roller. - the Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on a speciality 05.05.04 - machines for earthen and road the robot. Pridneprovska State Academy Of Bulding and Architecture , Dnepropetrovsk , 2006.

Dissertational operation in which the new decision of the actual scientific problem consisting in installation of parameters and modes of operation of a vibration skating roll for rational seal of burnt breeds is given is protected.

Development of scientifically justified methodological principles of calculation of rational parameters of vibration skating rolls represents an actual economic problem in connection with a perspective of construction in Ukraine of a system of the high-speed automobile ways adequate to the European level.

Key words: vibration roller, breeds compression, burnt, a working organ, rational parameters.