Архивы за 31.10.2014
МАШИНЫ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ДОРОЖНЫХ ОСНОВАНИЙ И ПОКРЫТИЙ
14.1. Общие сведения об уплотнении дорожно-строительных материалов
К числу материалов, которые подлежат уплотнению при устройстве дорожных оснований, относятся пески, песчано-гравийные смеси и щебень. Все эти материалы являются несвязными, состоящими из отдельных частиц, крупность которых находится в пределах от 0,05 до 2 мм у песков и от 2 до 60-80 мм у гравийных смесей и щебня. При уплотнении происходит сближение частиц и их взаимная заклинка. Уплотнению препятствуют развивающиеся на контактах частиц силы трения, а также наличие сцепления на этих контактах. Благодаря тому что таких контактов множество и силы сопротивления взаимному смещению частиц различны, при действии нагрузки такие смещения не происходят во всех местах одновременно, а устанавливается какая-то их очередность. При этом в первую очередь смещения происходят там, где сопротивления минимальны. После возрастания нагрузки смещения появляются в новых местах. Такой характер деформации создает впечатление наличия между частицами вязких связей, хотя на самом деле они отсутствуют. Поэтому уплотнения слоев этих материалов не происходит за однократное приложение циклической нагрузки. Для завершения процесса нагрузка должна прикладываться многократно.
Для дорожных покрытий применяются асфальтобетонные смеси, битумоминеральные смеси и цементобетон. Наличие такого вяжущего материала, как битум, коренным образом изменяет свойства щебня и гравия, являющихся в составе асфальтобетона и битумоминеральных смесей тем скелетом, который воспринимает нагрузки.
Наличие битума приводит к образованию между частицами минерального материала достаточно прочных и вместе с тем вязких связей. Поэтому эти материалы относятся к упруго-вязко-пластичным и для своего уплотнения требуют многократного приложения циклических нагрузок. Свойства асфальтобетонных и битумоминеральных смесей в сильной степени зависят от температуры. Обычно укладка и уплотнение горячих смесей происходит при температуре бО^-ЦО0. Укладка теплых смесей, приготовленных на менее вязких и жидких битумах, производится при более низких температурах. По мере уплотнения ввиду падения температуры смесей вязкость повышается на
несколько порядков, и поэтому особенно важно еще до более значительного охлаждения смеси успеть уплотнить ее до требуемой плотности. В противном случае уплотнение вообще становится невозможным. При выборе параметров машин, служащих для уплотнения этих материалов, особенно важно иметь в виду быстрое возрастание сопротивлений смесей внешним нагрузкам, которое происходит не только ввиду сближения отдельных частиц и образования более плотной структуры, но и из-за непрерывного охлаждения смеси.
Применяемые при устройстве дорожных покрытий цементобетоны могут иметь разную жесткость. Следовательно, связи между частицами будут разной прочности. Однако все цементобетоны при встряхивании или вибрации обладают ярко выраженными тиксотропными свойствами. В результате таких воздействий связи между частицами этих бетонов полностью разрушаются и сами бетоны по своим свойствам приближаются к тяжелой жидкости. Поэтому для уплотнения цементобетонов вибрационный метод становится не только пригодным, но и единственным технически целесообразным и экономически выгодным.
В настоящее время ввиду высоких скоростей движения автотранспорта предъявляются повышенные требования к ровности поверхности дорожных покрытий. Эта ровность в значительной мере зависит от качества уплотнения покрытия. Следовательно, машины для уплотнения должны отвечать определенным требованиям. Они в первую очередь касаются интенсивности воздействия рабочих органов машин на слой уплотняемого материала. При излишне высоких удельных давлениях на поверхностях контактов рабочих органов с материалом будет иметь место его пластическое течение (выдавливание) из-под рабочих органов, что при укатке влечет за собой еще и волнообразование, значительно ухудшающее ровность поверхности. Следует отметить, что все дорожностроительные материалы укладываются и уплотняются слоями, толщины которых иногда весьма незначительны. Поэтому развивающиеся под рабочими органами напряжения не локализируются внутри слоя, а передаются на его основание, которое может быть слабым. В этих случаях излишне интенсивные воздействия повлекут за собой неровности уже не только поверхности уплотняемого слоя, но и его основания, что значительно ухудшит качество работы. Вместе с тем при незначительных удельных давлениях не будет достигнута требуемая плотность уплотняемого слоя. Отсюда можно сделать вывод, что при уплотнении дорожных оснований и покрытий давления под рабочими органами машин должны быть оптимальными. Ввиду того что сопротивляемость материалов в процессе их
уплотнения возрастает, должны также возрастать и удельные давления. Поэтому еще даже в большей степени, чем в случае грунтов, становится актуальным предварительное уплотнение материалов более легкими средствами.
Уплотнение дорожных оснований и покрытий может осуществляться укаткой и вибрационными методами. Применяемые для этого средства механизации могут быть разделены на катки и вибрационные машины. Катки устраивают только самоходными. Они могут быть с гладкими вальцами и на пневматических шинах. На некоторых гладких катках один из вальцов при помощи специального механизма вводится в состояние колебательных движений. Такие катки называются вибрационными в отличие от обычных, называемых катками статического действия. Последнее название условно, так как при работе этих катков на поверхности уплотняемых материалов развиваются циклические нагрузки с высокой скоростью изменения напряженного состояния. Поэтому, строго говоря, эти катки никак нельзя назвать статическими.
Вибрационные машины применяются главным образом для уплотнения покрытий, устраиваемых из цементобетонных смесей. Часто вибрационными агрегатами снабжают машины, которые служат не только для уплотнения, но и для выглаживания бетонной поверхности, а иногда и для распределения бетона.
Катки на пневматических шинах для уплотнения асфальтобетонных и черных смесей стали применять недавно. В отличие от катков с гладкими вальцами эти катки не дробят щебень и поэтому могут уплотнять смеси, составленные из слабых каменных материалов. Кроме того, при движении пневмокатков уплотняемый материал получает более равномерное обжатие, поэтому склонность его к волнообразованию меньше, чем при катках с гладкими вальцами, что допускает более высокие скорости движения. Особенно эффективны эти катки при уплотнении асфальтобетонных смесей с высоким содержанием щебня.
Катки на пневматических шинах с успехом применяют также при уплотнении щебеночных и гравийных дорожных оснований. Песчаные основания могут быть уплотнены этими катками при пониженных давлениях в шинах.
При движении катков поверхность уплотняемого материала подвергается воздействиям циклических нагрузок. Асфальтобетонные смеси Укладываются тонким слоем (4-8 см), поэтому при перекатывании валец катка деформирует не только сам слой, но и его основание. Значит при расчете развивающихся на поверхности контакта напряжений еле-
дует принимать какой-то эквивалентный модуль деформации, который меньше модуля основания и несколько больше модуля горячего асфальтобетона. Эквивалентный модуль деформации в начале уплотнения равен 20-25 МПа, а в конце — 50-80 МПа.
Выше отмечалось, что для получения ровного и плотного дорожного покрытия удельные давления на поверхности не должны превышать допускаемых пределов. Эти пределы для катков с гладкими жесткими вальцами даны в табл. 14.1.
|
Таблица 14.1. Допустимые значения удельных давлений в МПа при укатке слоев различных материалов
|
При уплотнении дорожных оснований и покрытий катками на пневматических шинах давление в них в начале укатки устанавливается равным 0,2-0,3 МПа, а в конце — 0,55-0,6 МПа.
По мере уплотнения слоя материала его сопротивляемость внешней нагрузке постепенно повышается, а следовательно, снижается с каждым проходом глубина погружения вальца катка. Это, с одной стороны, ведет к непрерывному повышению развивающегося на поверхности контакта максимального напряжения, а с другой — снижает глубину активной зоны. Последняя определяется минимальным поперечным размером поверхности контакта вальца с уплотняемым материалом. Таким минимальным размером является полухорда, стягивающая ту часть окружности вальца, которая погружена в материал. Величина этой полухорды уменьшается по мере уплотнения. Оптимальную толщину уплотняемого слоя следует выбирать по глубине активной зоны. Здесь в связи с большой жесткостью уплотняемых материалов оптимальные толщины слоев меньше, чем при уплотнении грунтов. В зависимости от удельного линейного давления они могут ориентировочно определяться по табл. 14.2.
|
Таблица 14.2. Оптимальные толщины укатываемых слоев в см
|
Расчет основных параметров рабочих органов машины Для строительства асфальтобетонных покрытий
Исходными параметрами для расчета являются: ширина и толщина укладываемого слоя покрытия, необходимый темп производства работ, параметры, характеризующие свойства укладываемого материала. Расчет предусматривает: определение технической производительности и
параметров отдельных рабочих органов, выполнение тягового расчета в рабочем и транспортных режимах, определение кинематических параметров гидросистемы и мощности. Затем выполняют расчет на прочность и надежность.
Производительность (т/ч) пластинчатого питателя
П = Fvp0k, ka, (13.32)
где F — площадь сечения материала, ограниченная высотой подъема заслонки, м2; v — скорость движения скребковой цепи питателя, v = 0,5^-0,6 м/с; р0 — насыпная плотность укладываемой смеси, с0 = 1,8 т/м3; к, — скоростной коэффициент производительности, kr = 0,8; ky — коэффициент уплотнения смеси, ку = 1,05.
Площадь (м2) сечения материала определяют исходя из заданной производительности:
F = П/ (vp0ktky) . (13.33)
При заданной ширине питателя определяют высоту поднятия заслонки (м):
h = F/B, (13.34)
3 ‘ п ’
где Вп — ширина питателя.
Производительность (т/ч) распределяющего шнека
Пш =36QQD? itmnp0kiki (13.35)
где Ош — диаметр шнека, Dm = 0,2-^0,4 м; tm — шаг шнека, tm ~ Dj п — частота вращения шнека, п = 70-^80 с’1; kn — коэффициент снижения производительности вследствие проскальзывания и прессования материала, kn = 0,9; ks~ коэффициент заполнения сечения, k3 = 0,7.
Производительность (т/ч) укладчика непрерывного действия
/7 = В h v р k, (13.36)
у с г, у~к в ’
где Вс — ширина слоя, м; hc — толщина укладываемого слоя, м; v —
рабочая скорость укладчика, м/ч; рк — насыпная плотность уплотненного материала, т/м3; k — коэффициент использования рабочего времени, k = 0,8. ‘
в
Возможную ширину укладки (м) определяют, задаваясь рабочей скоростью и толщиной укладки:
В = П /(hv р k ) . (13.37)
С у С у К в
Тяговый расчет выполняют для установления развиваемого приводом асфальтоукладчика тягового усилия, необходимого и достаточного для преодоления сил сопротивлений, возникающих при работе машины:
|
(13.38) |
Т > SW, где SW = W + W„+W+W
с ’ с I 2 3 4
Суммарная сила сопротивления передвижению складывается из сил сопротивлений: передвижению самого асфальтоукладчика трению рабочих органов по укладываемой смеси W2; перемещению перед рабочими органами асфальтоукладчика призмы смеси W3 и перемещению от толкания самосвала W4.
Сила сопротивления передвижению асфальтоукладчика в рабочем режиме определена выше.
Сила сопротивления трению рабочих органов по укладываемой смеси
(13.39)
где Оро~ сила тяжести рабочих органов и механизмов, воспринимаемая покрытием через выглаживающую плиту, Н; / — коэффициент трения скольжения рабочих органов по укладываемой смеси.
|
(13.40) |
Сила сопротивления перемещению призмы смеси перед рабочими органами укладчика
W=G/u,
3 пр~ пр
где Gnf — вес призмы смеси, Н; jU — коэффициент внутреннего трения укладываемой смеси, ц = 0,8.
Вес призмы (кН)
(13.41)
где Нп — высота призмы, м.
С? ила сопротивления передвижению при толкании самосвала
|
(13.42) |
W4=(Ga + Gj(fK±i) ,
где Ga — вес заправленного самосвала, Н; Ga6 — вес смеси в кузове в момент начала выгрузки, Н; / — коэффициент сопротивления перекатыванию колес самосвала, / = 0,02+0,03.
* К
Так как коэффициент сопротивления перекатыванию колес с жесткими шинами по щебеночному основанию может быть выше и действительный вес самосвала может превысить конструктивный, принимают fK = 0,06. Принимают также, что максимальный угол продольного уклона
дороги при работе на рабочих режимах равен 6°, при транспортных переездах — 10°. Коэффициент сопротивления перекатыванию колес машины в этом случае / = 0,03.
Суммарное тяговое усилие по сцеплению
Ш <Р (р, (13.43)
СЦ СЦ’СЦ ’
где Р — нагрузка, приходящаяся на ведущий мост в рабочем режиме на различных уклонах, Н; <рсц — коэффициент сцепления ведущих колес с основанием, для щебеночного или асфальтобетонного основания ер = 0,3-5-0,5.
сц „
Общая мощность складывается из мощности, необходимой на привод питателей Nг шнека Nr трамбующих брусьев N3, вибрационных плит
EN. = n/Nl + n2N2 + n3N3 + n4N4 , (13.44)
где пґ п, п3, п4~ число соответственно питателей, шнеков, трамбующих брусьев, вибрационных плит.
Мощность привода питателей (кВт)
N,= WvkJ 1000 , (13.45)
где W — сила сопротивления перемещению смеси и цепей со скребками, Н; v — скорость движения цепи, м/с, v = 0,5+0,6 м/с; kd — коэффициент динамичности, принимают kd — 1,2+1,3.
Сила сопротивления перемещению
W=bhL(opgg, (13.46)
где b — ширина питателей, м; h3 — высота щели под заслонкой, м; L — длина питателя, м; — коэффициент сопротивления транспортированию, принимают со = 0,2+0,3.
Мощность привода распределяющих шнеков (кВт)
N2= allLcO’gKj 1000, (13.47)
где а — коэффициент, учитывающий расход смеси, а = 0,6; Я — производительность шнеков, кг/с; L — максимальный путь перемещения смеси, м; со/ — коэффициент, характеризующий свойства смеси, а>х — 5; в формулу введен коэффициент запаса Кз = 1,5, учитывающий возможный подпор смеси под действием питателя.
Мощность привода трамбующего бруса расходуется на преодоление сил трения об асфальтобетонную смесь и выглаживающую плиту, а так
же на преодоление сил сопротивления среды при ее уплотнении подошвой трамбующего бруса.
Сила трения (Н) трамбующего бруса об асфальтобетонную смесь при его возвратно-поступательном движении
Fmp^=Wnpf,, (13.48)
где W — сила сопротивления перемещению призмы смеси перед брусом без учета влияния части смеси, увлекаемой отражательным щитом, Н; /, " коэффициент трения бруса по смеси, f= 0,5-Ю,6.
Сила сопротивления перемещению призмы смеси (Н)
W = G и, (13.49)
пр пр ~ пр ‘
где G — вес призмы смеси, Н; рпр — коэффициент внутреннего трения
укладываемой смеси, р, = 0,7-0,8.
Вес смеси, находящейся перед брусом (кН):
G =bh L о„п (13.50)
пр пр nf^O 4
где hnp — высота призмы, м; Lnp — длина призмы, м.
Сила трения о выглаживающую плиту (Н)
F = (S + W )[, , (13.51)
ПР 4 ПР ПГ 1 бр ’ 4 ‘
где Snp — усилие поджатия пружины, Н; / — коэффициент трения трамбующего бруса о плиту, / = 0,2-J-0,3.
Суммарное сопротивление трению (Н)
F — F,+F. (13.52)
тр трамб пл
Работа суммарной силы трения за один оборот вала привода
А = 4eF, (13.53)
тр ’ ‘
где е — эксцентриситет вала привода трамбующего бруса, е = 0,005-Ю,007 м.
Удельное сопротивление смеси при движении бруса вниз при малой его ширине принимают постоянным, что равно давлению под кромкой выглаживающей плиты р = 0,01 МПа. Суммарная сила воздействия бруса на смесь при его движении вниз (Н)
P = p, F6p, (13.54)
гДе Fбр — площадь контакта трамбующего бруса со смесью, м2, Fgp ~ bd {d — ширина кромки борта бруса, d ~ 0,015 м).
Смесь частично уплотняется скосом плиты, поэтому ширину рабочей кромки принимают равной толщине ножа d = t.
Работа уплотнения смеси (Нм) за один оборот вала привода
А = 4еР. (13.55)
ЦП ‘ ‘
Суммарная работа (Нм)
А — А + А. (13.56)
тр цп ‘ ‘
Мощность, расходуемая на работу трамбующего бруса (кВт):
N3= /Зпбр/1000, (13.57)
где — коэффициент, учитывающий неравномерность нагрузки за счет инерции бруса, /3 = 1,3+1,4; пб — частота вращения вала привода бруса, п, =25+35 об/с.
Р t п
Мощность привода виброплиты и вибробруса (кВт) определяют по эмпирической формуле
N=k, F. (13.58)
4 уд в. пл
где kyd — эмпирический коэффициент, й^=1,2 + 1,6 кВт/м2; F — площадь контакта виброплиты с асфальтобетоном, Fem = 1пяЬпл (I — длина плиты, м; bnj — ширина плиты, м).