МиА_СФУ_Тороковx - Сибирский федеральный университет

УДК: 625.084/085:625.855.3
РАЗРАБОТКА ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА УПЛОТНЕНИЯ
АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ
Тороков А.А.,
научный руководитель д-р техн. наук Иванчура В. И.,
научный консультант канд. техн. наук Прокопьев А. П.
Сибирский федеральный университет
Процесс уплотнения при дорожно-строительных является заключительным и
ответственным этапом, от которого во многом зависят качественные характеристики
дорожного полотна. Для обеспечения качественного уплотнения на протяжении всего
времени процесса уплотнения материала необходимо принимать во внимание не только
изменение свойств уплотняемой смеси, но и учитывать изменения динамических
параметров рабочего органа виброкатка, непосредственно влиящих на процесс
уплотнения.
Цель работы – разработка имитационной модели процесса уплотнения
асфальтобетонной смеси с учетом изменения динамических параметров процесса
уплотнения при выполнении нескольких проходов катка.
В процессе уплотнения помимо характеристик самого уплотняемого материала,
изменяются параметры пятна рабочего органа. Под пятном понимается область вальца,
находящаяся в непосредственном контакте с уплотняемым материалом (рис. 1).
Рисунок 1 – Схема взаимодействия вальца с средой
К параметрам пятна можно отнести (рисунок 1):
α – угол пятна относительно центральной вертикальной оси вальца;
L – ширина пятна (длина дуги вальца, нахожящейся в контакте со смесью).
Формула для расчета ширины пятна:
L = R·α .
(1)
Зная технологические параметры катка и величину изменения толщины слоя
между проходами можно вычислить угол α:
α  arccos
R  h
,
R
(2)
где R – радиус вальца.
В результате, измеряя значения изменения толщины слоя от прохода и зная
радиус вальца применяемого катка, можно вычислить длину дуги контакта вальца, при
помощи формулы (1).
Площадь FК (t ) контакта вальца со смесью вычисляется по следующей формуле:
FК (t )  L(t )  B ,
(3),
где B – ширина вальца.
Площадь контакта рабочего вальца со смесью уменьшается в процессе
уплотнения от прохода к проходу. Это связано с тем, что по мере уплотнения
сопротивление смеси деформированию постоянно возрастает, более выражено
проявляются ее вязкоупругие свойства. На начальном этапе уплотнения смесь
достаточно подвижная, смесь не способна выдерживать значительные по величине
нагрузки и ведет себя как пластичный материал [1], обладает сравнительно малой
плотностью и малым сопротивлением деформации. [2]
Контактное давление на уплотняемый материал зависит не только от
технологических параметров дорожной техники, таких как амплитуда, частота
колебаний вальца, масса пригруза и рабочего органа, но и от пятна контакта вальца со
смесью [2].
В процессе уплотнения сопротивление смеси деформированию постоянно
увеличивается в связи с увеличением её плотности и остыванием смеси. Для
обеспечения эффективного уплотнения смеси в процессе строительства дорожного
покрытия необходимо соблюдать следующие условия [3]:
 Т   К   Пр ,
где  Т – предел текучести смеси;  Пр – предел прочности смеси;  К – контактное
давление вальца на смесь. Таким образом, развиваемые контактные дваления рабочим
органом в процессе уплотнения должны быть больше предела текучести материала для
обеспечения эффективного уплотнения и быстрого накопления остаточных
деформаций, но меньше предела прочности, чтобы не вызывать возможного
разуплотнения и разрушения смеси.
На основе предложенной в работе [3] математической модели (рисунок 2) и
системы уравнений (4) была построена имитационная модель при помощи среды
моделирования MATLAB&Simulink.
Модель модифицирована путем введения дополнительных блоков среды
моделирования Simulink (рисунок 3) реализующих уравнение для вычисления длины
дуги пятна в процессе моделирования с возможностью наглядного примера значения
длины дуги (рисунок 4).
Реализована имитация нескольких проходов катка с учетом изменяющихся
параметров смеси, построены графики зависимостей параметров процесса уплотнения,
полученные результаты подтвердили адекватность модели на основе их сравнения с
зависимостями, полученными из работы [5].
Рисунок 2 – Модель уплотнения асфальтобетонной смеси вибрационным катком :
N – модель Ньютона;  – вязкость модели Ньютона; Н – модель Гука;
E – модуль упругости по модели Гука; StV – модель Сен-Венана;
σ TУ – предел текучести модели Сен-Венана
Q
 d 2  t 
 m1  m2   g


 sin(ω t ) 
 dt 2
0, 02  m1  m2   hсл  t   0, 02  m1  m2   hсл  t 



LAB  t   B
  0, 02  m  m   h  t    k  t  ;
1
2
сл

 2
У
 d  k  t    θ 2  n  θ 3  m  d k (t )   k (t )   T  
 dt 2
θ 2  θ3  n  m
dt
θ 2  θ3  n  m

2
η 2  η3
d   t  η 2  θ 3  η3  θ 2 d   t 





,
2
 θ  θ  n  m dt
θ

θ

n

m
dt
 2 3
2
3
(4)
где В – ширина вальца, м; hсл(t) – толщина слоя смеси, м; LAB(t) – длина дуги контакта
вальца со смесью, м; 2, 3 – время быстрой и медленной релаксации напряжений,
соответственно, с; n, m – коэффициенты, постоянно изменяющиеся в процессе
уплотнения; η2, η3 – вязкость смеси в блоках 2 и 3 реологической модели смеси,
соответственно, Па·с; Q – вынуждающая сила вибровозбудителя, Н; m2 – масса вальца,
которому сообщаются гармонические колебания от вибровозбудителя, кг; т1 – масса
пригруза (масса рамы вальца, воздействующая на вибрирующий валец), кг.
Рисунок 3 – Модифицированная подсистема Subsystem 1 с возможностью
регистрации величины дуги пятна
Длина дуги, м
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
0.01
0.02
0.03
Время, с
0.04
0.05
0.06
Рисунок 4 – График длины дуги в процессе моделирования
В результате исследования разработана имитационная модель процесса
уплотнения асфальтобетонной смеси с учетом изменения динамических параметров
процесса уплотнения при выполнении нескольких проходов катка
Список литературы
1. Шестопалов А.А., Кондрашов Н.А. Использование модуля деформации в
реологической модели уплотнения асфальтобетонной смеси про строительстве
дорожных покрытий // Magazine of Civil Engineering. – 2014. – №7. – С. 55.
2. Захаренко А.В., Пермяков В.Б. Взаимодействие вальцов катка с уплотняемым
материалом // Изв. вузов. Строительство. – 2005. – № 1. – С. 81-82.
3. Пермяков В.Б., Дубков В.В., Серебренников В.С. Аналитическое описание процесса
уплотнения асфальтобетонной смеси вибрационным катком // Омский научный
вестник. – № 1. – С. 67-71.
4. Серебренников В.С. Обоснование режимных параметров вибрационых катков для
уплотнения асфальтобетонных смесей: автореф. дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн.
наук; науч. рук. канд. техн. наук Дубков В.В; СибАДИ. – Омск. 2008. – 20 с.
5. Evaluation of compaction behavior of hot mix asphalt by means of finite element model.
Rampini R. PhD – Polytechnic of Milan, Fiori F. PhD – Polytechnic of Milan, Bacchi M.
PhD Student – Polytechnic of Milan.