Перспективы развития техники для строительства автомобильных дорог с твердым цементобетонным покрытием

В Российской Федерации большая часть денежных средств в дорожном строительстве уходит на создание, обслуживание и ремонт автомобильных дорог. При этом наибольшая часть этих средств уходит на ямочный ремонт, а не на строительство более качественных новых автомобильных дорог [1–3].

На кафедре «Колесные и гусеничные машины» ЮУрГУ (г. Челябинск) разработан способ и устройство для уплотнения трудно деформируемых (жестких) бетонных смесей с ударновибрационным механизмом (рис. 1, 2) [4–5]. Достаточно детально конструкция и принцип работы ударно-вибрационного механизма описан в статье [4].

Некоторые параметры формовочной установки с ударно-вибрационным механизмом приведены ниже:

частота ударов (силовых импульсов) – 3 (6) Гц;

мощность привода – 3 кВт;

размеры формуемых образцов – 120×250×65 мм;

масса формовочной установки – 150 кг;

габаритные размеры – 1000×2000×1500 мм.

Рис. 1. Общий вид опытного образца формовочной установки

Испытания опытного образца формовочной установки, проводимые на кафедре «Колесные и гусеничные машины» ЮУрГУ, подтвердили технологические возможности и преимущества ударно-вибрационного механизма в сравнении с вибрационной технологией уплотнения, принятой на современных бетоноукладчиках, а именно экземпляры из формовочной машины при плохом качестве песка и цемента, крупнозернистом щебне и с малым соотношением воды получили марочную прочность М100, при его распиле не обнаружено никаких пустот, что говорит о работоспособности технологии. Но также были обнаружены следующие минусы: плохое качество верхней части заготовки (где происходит соприкосновение плиты с прессуемым материалом), необходима разработка механизма принудительной подачи материала как с бункера, так и под область прессования (материал, имея густую консистенцию, плохо проваливается

Рис. 2. Принципиальная схема ударновибрационного механизма уплотнения (а и b) и силы, действующие на элементарную частицу прессуемого материала

из бункера подачи и плохо проходит под рабочую плиту (рис. 3)). Следовательно, необходима доработка механизма специальным толкателем плит, выполняющим поступательные движения в зону прессования и обратно [6].

Регулируя ход подачи толкателя, можно подавать материал в различные зоны под плитой на- гнетателя и получать уплотненный материал с заранее заданными свойствами: от пористых до особо плотных, что существенным образом расширяет потребительские свойства модернизированного бетоноукладчика.

Все описанные выше дополнительные меха- низмы ведут к удорожанию всего механизма уплотнения в целом, а также увеличивают его массу. Поэтому было решено пересмотреть весь механизм в целом и заменить распорно-стержневую систему четырёхзвенным механизмом (рис. 4) который, в свою очередь, выполнял следующие функции:

• 1)    подача материала из бункера;

• 2)    подача материала в зону прессования;

• 3)    прессование материала;

• 4)    затирка поверхности образца.

  

  Рис. 3. Схема принудительной подачи материала в рабочую зону прессования

  
  

Расчет и конструирование

Рис. 4. Принципиальная схема нового механизма

Новый механизм содержит плиту нагнетателя 1, кронштейн 2, заглаживающий участок 3 плиты нагнетателя, кривошип радиусом r и маятниковый стержень [7].

Плита нагнетателя 1 содержит с одного конца кронштейн 2, а с другого конца - заглаживающий участок 3.

Плита нагнетателя связана с кривошипом, вращающимся с угловой скоростью и, и с маятниковой подвеской радиусом R. Рабочая поверхность плиты нагнетателя 1 выполнена в виде ломаной линии, состоящей из нескольких участков (a, b, c). Участок а имеет нулевой уклон (i = 0), участок b ib > ia; участок c ic > ib. Уклон кронштейна 2 - отрицательный по от- ношению к рабочей поверхности плиты нагнетателя 1 (участки a, b, c), сделан для черпания ма- териала из бункера в зону прессования [8-9].

Работа нового формовочного механизма совершается в следующей последовательности. При вращении кривошипа кронштейн 2 плиты нагнетателя 1 совершает перемещение по эллипсовидной траектории, поднимаясь вверх, заходя в разгрузочное окно бункера питателя и черпая пропорцию материала, перемещает его вниз и в сторону рабочей зоны плиты нагнетателя. Благодаря обработанному уклону на кронштейне 2 новая порция материала движется слева-направо, т. е. заполняет рабочий объем под плитой нагнетателя. Рабочая поверхность плиты нагнетателя разбита на несколько участков с различными углами, что позволяет создать зоны уплотнения с различной степенью интенсивности: a - особо плотного материала, b - средняя плотность, c -зона пористого материала. При движении материала слева-направо (с определенной скоростью)

каждый участок плиты нагнетателя надвигается на впереди расположенный и предварительно уплотнённый материал, доводя его до более высокой степени сжатия. Участок 3 плиты нагнетателя 1 выполнен по дуге окружности радиусом R , что при движении нагнетателя обеспечивает заглаживание и затирку поверхности уплотненного материала [10-12].

Изложенная выше технология устраняет все выявленные недостатки формовочной установки, показанной на рис. 1. Новый механизм самостоятельно черпает материал из бункера подачи и подает его в зону прессования. Благодаря заглаживающему участку верхняя поверхность образ- цов затирается.

Существенным преимуществом нового устройства является двойное увеличение движущей силы P (рис. 5), то есть усилие сжатия Q , действующее на элементарную частицу, внедряемую под рабочую плиту, определяется по формуле:

• Q = P-k_vk₂,

  
  
  
  

где P - это усилие развиваемое приводом, к₁ и k₂ - коэффициенты усиления. Коэффициент усиления к_г определяется из уравнения:

Т = — = P-kt cos а и имеет вид:

k_t=—; k_t>1.                                                        (3)

^х cosa ^х

Коэффициент усиления к^ стремится к бесконечно большой величине при угле а, прибли жающемся к 90°, так как cos а стремится к нулю.

Коэффициент усиления к₂ определяется из уравнения:

Q = ^b-^ = T^k 2                                                                (4)

и имеет вид:

k2=^; k2>1, (5) где а - расстояние от элементарной частицы материала до шарнирной опоры; b - рабочая длина плиты платформы. Коэффициент усиления k2 стремится к бесконечно большой величине при движении смеси к шарниру, то есть при участке a, стремящемся к нулю.

Для успешной работы устройства необходимо соблюдать условие: максимальный угол наклона плиты платформы к горизонту не должен превышать 20°, чтобы материал не выскальзывал из зева платформы в бункер-питатель. Для получения максимального усилия сжатия в нижнем положении платформы эксцентриковый вал своим бóльшим диаметром должен быть направлен вниз [13].

Новое устройство обеспечивает:

• 1)    получение направленных сдвиговых деформаций в прессуемом материале;

• 2)    уменьшение внешних нагрузок за счет двухступенчатого их усиления;

• 3)    черпание материала из бункера;

• 4)    доставка материала в зону прессования специальной лопаткой

  

  Рис. 5. Схема сил, действующих на элементарную частицу прессуемого материала

  
  

• 5)    затирка поверхности образца.

При вращении эксцентрикового вала в любую сторону платформа перемещается вверх (вниз), а также за счет коромысла вправо (влево). При движении в вертикальном направлении с усилием сжатия Qy изменяется от нуля до максимума и снова падает до нуля. Приближенно можно считать, что усилие Qy меняется по прямолинейному закону и направлено нормально к плоскости. Движение в горизонтальном направлении с усилием Qx изменяется от нуля до максимума и снова падает до нуля: ввиду того, что, когда механизм начинает черпать материал – усилие равно нулю, а когда черпающим органом набирается максимальное количество материала – уси- лие равно максимуму и при возвращении механизма на холостой ход усилие снова равно нулю.

Тогда получаем формулу работы в вертикальном и горизонтальном направлении соответственно:

Ау —

Ах —

Q ymax + Q ymin 2

•S y ,

Q xmax ⁺ Q xmin 2

• ^SX ,

где А_Y и А_X – работа уплотнения и подачи (Нм); S_Y и S_X – ход подвижной плиты в месте приложения

силы в вертикальном и горизонтальном направлениях, измеряемый по линии действия силы (м) [14].

Определим наибольшее усилие сжатия из условия предела прочности прессовки-сырца:

Q ymax — ^•F,                                                                   (8)

где о - предел прочности материала (справочные данные) (Па); F - площадь плиты платформы (м²). Усилие Q_ymin считаем равным 0 [15].

Определим наибольшее усилие подачи из условия действия силы скольжения материала о

поверхность:

Q xmax — д-т-д — д-g-V • р,

где д - коэффициент трения скольжения материала о поверхность (справочные данные); д - ускорение свободного падения (^3-); р - плотность уплотняемого материала (справочные данные) ( МКг г ); V - объем перемещаемого материала (находится графически в зависимости от рабочего органа) (м 3 ). Усилие Q_Xmin считаем равным 0 [15, 16].

Тогда из (6) и (8) формулы получаем:

^F^S y

^{Ау —} 2 "

И из (7) и (9) формулы получаем:

. _— ^fl-V-p-S x

^X 2       "

По полученным вы ше формулам находим общую работу:

а — 7л у +л Х — ^Е Е5 У+^

За один оборот эксцентрикового вала подвижная плита совершает рабочий и холостой ход, что сопровождается изменением угловой скорости приводного вала от wmin до wmax, поэтому

Расчет и конструирование

в приводе целесообразно предусмотреть маховик. В этом случае работа уплотнения совершается от использования энергии, поступающей от двигателя и кинетической энергии маховика, что может быть представлено формулой [17].

Л = ^^£ + /^^^х2^1ип,Нм,                                                   (13)

где А – работа уплотнения за один рабочий ход (Нм); N – мощность двигателя (Вт), t – время рабочего хода (равное 'О , с), n — скорость вращения вала (об/мин), I - момент инерции маховика (кг^м²), w_m , _n, w_max - минимальная и максимальная угловые скорости маховика.

Работа уплотнения A определяется по формуле (12), а возвращаемая маховиком кинетическая энергия может быть представлена в виде:

2         2

I • ^W max ^W min    2 • I • W max ^W min • W max W min

= 2 • I • w • 6,

где w =

Wmax+Wmin   п-и

--------= — — средняя угловая скорость маховика; 6 =

W max w _mi ⁿ — степень

неравно-

мерности (предварительно можно принять 6 = 0,01... 0,04) [17, с. 80].

Подставляем в формулу (9) значения входящих в нее величин, получим:

' ц-д-v-p-S x

- f^ + z-i-w-S.

) и

Откуда i :r -

■ р -уУ •р^ х

■ )² '^•'V \.,К'-м 2 . и 2-w-S

Момент инерции маховика:

I _ m • г2 _ ^^-,

4 , предполагая, что вся масса маховика сосредоточена на его ободе [14, 18]. Диаметр маховика задаем, исходя из величины его окружности: У _ — < 15 м.

60 _ с

Площадь сечения обода определяется по формуле:

F _ — n-d-p

где p - плотность материала, из которого изготовлен маховик (кг/м³); d - диаметр маховика (м); m – масса маховика (кг) [19].

В данный момент времени выполнены проектные работы с участием студентов старших курсов автотракторного факультета А.О. Жакова и И.С. Ваторопина по созданию опытного образца нового механизма. На рис. 6 и 7 показаны рабочая 3D модель этого механизма и формовочная установка в целом. Продолжается работа по созданию программного комплекса для автоматического расчета механизма [20].

Рис. 6. 3D модель нового механизма

Рис. 7. 3D модель формовочной установки

Выводы

• 1.    Переход дорожно-строительной отрасли на использование жестких бетонных смесей при строительстве автомобильных дорог приведет к повышению физико-механических свойств бетона и экономии затрат на самый дорогой материал в бетонной смеси – это портландцемент (на 25–30 %). Кроме этого, сокращается время набора прочности жесткого бетона (в 1,5 раза), следовательно, дорога может сдаваться в эксплуатацию в более короткие сроки.

• 2.    Предложено техническое решение для модернизации формовочной установки, заключающееся в замене существующей опытной установки, включающей в себя шарнирно-рычажный механизм на более усовершенствованный четырёхзвенный механизм, для которого созданы математическая и графическая модели.