Главная
Новости
Ремонт
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Воздухоопорные сооружения
Грунтовые основания




18.08.2017


18.08.2017


18.08.2017


18.08.2017


18.08.2017


18.08.2017


18.08.2017


18.08.2017


18.08.2017


16.08.2017





Яндекс.Метрика
         » » Уплотнение грунтов катками на пневматических шинах

Уплотнение грунтов катками на пневматических шинах

02.12.2015

Катки на пневматических шинах являются универсальным средством уплотнения, нашедшим весьма широкое применение в дорожном строительстве. Для уплотнения грунтов применяют прицепные и полуприцепные катки, основания и конструктивные слои дорожной одежды уплотняют самоходными катками. В настоящее время все катки устраивают с возможностью регулирования как нагрузки на колесо, так и давления воздуха в шинах. Нагрузки на колеса можно изменять балластировкой в 2—3 раза, что позволяет одну и ту же модель катка применять для уплотнения разных грунтов, а также вести как подкатку, так и окончательное уплотнение грунтов.
Нашей промышленностью выпускаются прицепные и полуприцепные катки, масса которых без тягача, но с балластом находится в пределах от 12,5 до 25 т. В зарубежной практике строительства применяют прицепные катки с массой до 200 т и полуприцепные с массой 75 т. Повышение массы катка позволяет увеличить толщину уплотняемого слоя, однако достигаемые в результате плотности грунтов при равных давлениях воздуха в шинах отличаются незначительно.
Уплотнение грунтов катками на пневматических шинах

Прицепные катки обычно рассчитывают на работу с гусеничным трактором и выполняют одноосными. Как правило, колеса имеют независимую подвеску, что предохраняет шины от перегрузки и обусловливает секционную конструкцию. Размеры шин прицепных, а также и полуприцепных катков выбирают в зависимости от нагрузок на колеса. В России выпускают катки, минимальный размер шин которых составляет 12,00—20, а максимальный размер 21,00—28. На катках обычно применяют те же шины, что и на других дорожных машинах, В настоящее время имеется тенденция к снижению давления воздуха в шинах автомобилей и дорожных машин, что обеспечивает высокую проходимость на слабых грунтах. Однако применение на катках шин с более низким давлением воздуха уменьшает глубину проработки связного грунта и достигаемую в итоге плотность. Так, снижение давления воздуха в шинах с 6 до 3,5 кгс/см2 уменьшает оптимальную толщину слоя связного грунта на 20—25%, а производительность на 30—40%. Поэтому в применяемых на катках шинах давление воздуха обычно составляет не менее 6 кгс/см2.
Полуприцепные катки агрегируются с одноосными тягачами (рис. 75) или с двухосными колесными тракторами. По сравнению с прицепными эти катки имеют меньший радиус поворота и допускают укатку грунта челночным способом. Они более маневренны, обладают более высокими транспортными скоростями и потому предпочтительнее.
Уплотнение грунтов катками на пневматических шинах

Поворот тягача относительно продольной оси катка, т. е. в горизонтальной плоскости возможен на 90°, а боковые наклоны рамы относительно тягача в вертикальной плоскости могут достигать 15°, что позволяет вести укатку даже при недостаточно тщательной планировке поверхности грунта. Эти катки обычно снабжаются системой централизованного регулирования воздуха.
Самоходные катки на пневматических шинах применяют для уплотнения укрепленных грунтов, поверхности земляного полотна перед устройством на ней дорожного основания и грунтов естественных оснований. Для этих целей используются катки, масса которых превышает 15 т. Более легкие модели используют для предварительной подкатки укрепленных цементами грунтов, а также для уплотнения грунтов, укрепленных органическими вяжущими материалами. Работа вблизи бровок насыпей из-за недостаточной динамической устойчивости этих катков опасна.
Эффект уплотнения зависит от размеров поверхности контакта шины с грунтом, которыми определяется глубина активной зоны, а следовательно, и оптимальная толщина уплотняемого слоя грунта, и от развивающихся на этой контактной поверхности давлений. Размеры контактной поверхности и максимальные контактные давления зависят от многих факторов, из которых главные: сопротивляемость грунта внешним нагрузкам, размер и тип шин, давление воздуха в них и нагрузка на колесо. При первых проходах катков, когда грунт еще рыхлый, деформируется в основном только сам грунт. Деформация пневматика весьма мала, и потому он может рассматриваться как жесткое колесо. По мере уплотнения грунт оказывается все менее податливым и потому постепенно начинает деформироваться и пневматическое колесо. В конце процесса уплотнения, когда грунт уже плотный, деформацию пневматического колеса обязательно следует учитывать. При рыхлых грунтах контактные давления можно находить, пользуясь формулой (65). Форма контакта пневматической шины с жесткой поверхностью представляет собой эллипс. За эллипс может быть также принята и контактная поверхность шины с плотным грунтом. Отношение осей эллипса контактной поверхности определяется конструкцией шины, ее геометрическими размерами, а также давлением воздуха в них и нагрузкой на колесо. Если при постоянном давлении воздуха в шине постепенно увеличивать действующую на нее нагрузку, то деформация шины в поперечном направлении становится все более заметной. Поэтому у одной и той же шины, контактные поверхности могут быть с разным соотношением между их осями, а одинаковые поверхности контактов могут быть получены при разных соотношениях между нагрузкой на колесо и давлением воздуха в шине.
Опытным путем А. И. Путк и Н. А. Островцев установили, что отношение осей эллипса данной шины может быть представлено как однозначная функция ее относительного смятия, и потому влияющие на это смятие нагрузки на колесо и давление воздуха в шине отдельно могут не учитываться. Под относительным смятием понимается отношение абсолютной величины этого смятия, т. е. прогиба шины в центре контактной поверхности, к высоте ее профиля. Это положение нашло в дальнейшем подтверждение как в наших опытах, так и в опытах, поставленных В. А. Смоленцевой и Н. П. Вощининым, из которых также следует, что в интервале нагрузок (0,5—1)Рдоп, где Рдоп — допустимая на шину нагрузка, отношение осей эллипсов контактов большинства шин меняется в весьма узких пределах — от 1,1 до 1,2. Исключением из этого правила служат шины 14,00—20 и аналогичные им (370—508), у которых ввиду особенностей их конструкции это отношение составляет 1,4—1,6. Промежуточное положение занимают шины 12,00—20 (320—508). Поэтому можно полагать, что соотношения осей эллипсов контактных поверхностей шин, применяемых на катках как обычных, так и с металлокордом, находятся в сравнительно узких пределах — от 1,1 до 1,6.
Допускаемая на шину нагрузка определяется по паспортным данным применительно к малым скоростям движения катка. Обычно эта нагрузка соответствует относительному смятию шины, равному 0,15 для обычных шин и 0,1 — для шин с металлокордом.
При широко расставленных в плане колесах катков глубина проработки грунта определяется минимальным, т. е. поперечным размером поверхности контакта, поэтому на катках желательно применять эластичные шины, которые хорошо деформируются как в продольном, так и в поперечном направлениях. При сдвоенных колесах глубина проработки определяется большой осью эллипса контактной поверхности. Исследования показывают, что зазор между колесами должен быть не более 0,4bп где bп — ширина профиля шины, и во всяком случае он не должен быть больше (0,7—0,8) bп, так как только в этих случаях разрыв между соседними поверхностями контактов практически не влияет на глубину проработки грунта и потому можно полагать, что она определяется большими осями эллипсов контактных поверхностей. Однако колеса устраивают спаренными лишь на прицепных катках и только на тех моделях, которые не имеют независимой подвески. На остальных машинах установка спаренных колес ввиду значительных конструктивных трудностей нерациональна. Поэтому глубина проработки грунта определяется малой осью эллипса.
Контактные давления и распределение их по поверхности контакта определялись многими исследованиями. Некоторые уточнения применительно к каткам на пневматических шинах позволили внести и исследования, проведенные нами совместно с Н. П. Вощининым, С. С. Процуто, В. А. Смоленцевой и H. М. Шагиевой.
Прежде всего следует рассматривать влияние различных факторов на среднее контактное давление, которое определяется отношением общей нагрузки на колесо P к контактной поверхности. Оказываемая на колесо нагрузка через его ось и диск колеса передается на упругую оболочку шины и через нее — на поверхность контакта. Большую роль играет упругость шины, или, как ее называют при рассмотрении силовых воздействий, упругость оболочки. С повышением жесткости оболочки совершенствуется механизм передачи внешней нагрузки и, следовательно, растут средние контактные давления. Жесткость оболочки зависит от конструкции шины и от давления воздуха в ней. Контактные давления также возрастают с ростом нагрузки на колеса.
Развивающиеся на контактных поверхностях как средние, так и максимальные давления лучше всего сравнивать с давлением воздуха в шине, т. е. находить относительные контактные давления, определяемые как частные от деления их абсолютных значений на давление воздуха в шине. Опытным путем установлено, что с увеличением нагрузки на колесо средние контактные давления, выраженные как в абсолютных, так и в относительных единицах, монотонно возрастают. При этом в зависимости от нагрузки средние контактные давления могут быть как ниже, так и выше давления воздуха в шинах. Они равны этому давлению лишь в частном случае. В этом сказывается влияние упругости оболочки. Такая закономерность установлена для шин различных типов и размеров.
Абсолютные значения средних контактных давлений растут с повышением давления воздуха в шинах pw, однако их относительные значения при этом уменьшаются, что указывает на постепенное снижение эффекта от повышения давления воздуха, что тоже объясняется влиянием жесткости самой шины.
Влияние и при этом значительное на контактные давления двух факторов — давления воздуха и нагрузки на колесо — позволяет компенсировать недостаток в одном из этих факторов увеличением значения другого. Таким образом, при одном и том же колесе одни и те же значения средних контактных давлений могут быть получены при разных нагрузках и давлениях воздуха в шинах. Так, например, для колеса, устроенного на базе шины 370—508, среднее контактное давление, равное 4 кгс/см2, может быть получено при давлении воздуха 5 кгс/см2 и нагрузке на колесо, равной предельно допустимой, а в другом случае при половине предельно допустимой нагрузки, но повышенном до 6,5 кгс/см2 давлении воздуха.
Таким образом, в пределах оптимальных толщин уплотняемых слоев одна и та же плотность материала может быть достигнута укаткой его легким и тяжелым катком. Однако размеры контактных поверхностей, а следовательно, и оптимальные толщины уплотняемых слоев будут различными. Так, во втором случае, т. е. при меньшей нагрузке на колесо и более высоком давлении воздуха в шине, оптимальная толщина уплотняемого слоя будет даже, чем в первом случае. Поэтому такой метод компенсации применим лишь в случаях, когда глубина проработки большого значения не имеет при уплотнении конструктивных слоев дорожных одежд, устраиваемых из грунтов, укрепленных цементами. Он практически неприменим для грунтов земляного полотна, для уплотнения которых требуются тяжелые прицепные катки, тогда как дорожные одежды уплотняют самоходными катками сравнительно небольшой массы.
Средние относительные контактные давления, выраженные в долях от давления воздуха, при движении колеса по жесткой поверхности имеют следующие значения, найденные на основе опытных данных:
Уплотнение грунтов катками на пневматических шинах

Эти значения соответствуют автомобильным шинам, а также шинам, предназначенным для дорожных машин в диапазоне нагрузок (0,5—1)Рдоп. Исключением служит стандартная шина 18,00—28. Относительные средние контактные давления высокоэластичных шин широкого профиля, к числу которых относятся и авиационные, практически не зависят от давления воздуха и при нагрузке на колесо (0,1—1)Рдоп они равны (0,5—0,6) рw.
Рисунок протектора при качении шины по жесткой поверхности несколько увеличивает среднее контактное давление. Это происходит потому, что нагрузка на жесткую поверхность передается только через выступы. Увеличение зависит от характера рисунка и для автомобильных шин обычно составляет 30—70%. У вездеходных автомобильных шин оно выше в 2 раза. При движении пневматических колес по грунту уже на сравнительно небольшой глубине от поверхности напряжения практически одинаковы при наличии рисунка и без него.
Характер распределения давлений по поверхности контакта шины с плотным грунтом в пределах 0,8—6 кгс/ч не зависит от скоростей движения колеса, а определяется нагрузкой на него и давлением воздуха в шине. В зависимости от этих факторов могут быть различные эпюры распределения давлений по осям эллипса контактной поверхности, которые, однако, можно свести к трем типам (рис. 76).
Уплотнение грунтов катками на пневматических шинах

Эпюры типа I характерны для высокого давления воздуха в шине и относительно небольшой нагрузки на колесо, т. е. соответствуют малому смятию шины. Здесь площадки равного давления практически отсутствуют. Основание эпюры ввиду небольших размеров поверхности контакта относительно мало. С повышением нагрузки на колесо или со снижением давления воздуха в шине поверхность контакта увеличивается, а следовательно, растет и основание эпюры. В средней ее части появляется четкая площадка равного давления (эпюра типа II). Благодаря тому, что в средней части контактной поверхности образуется площадка равного давления, такая эпюра более желательна, чем первая.
При больших нагрузках на колесо и малых давлениях в шине образуются седлообразные эпюры типа III, которые характеризуются наличием краевого эффекта. Здесь максимальные давления соответствуют краям контактной поверхности. При этом в средней части эпюры в зависимости от типа шины, нагрузки на колесо и давления воздуха может произойти некоторое понижение давления (тип IIIa). Давление на границах контактной поверхности может превышать давление в средней части в 1,5—2 раза. Эпюры таких типов наблюдаются как в продольном, так и в поперечном направлениях, т. е. по большой и по малой осям контактной поверхности. При увеличении нагрузки на колесо и постоянном давлении воздуха в шине, равно как и при уменьшении этого давления при постоянной нагрузке, происходит постепенная трансформация эпюр распределения давлений от типа I к типу III. В известной мере трансформация происходит в процессе уплотнения грунта. Когда грунт еще рыхл и оказывает слабое сопротивление деформированию, эпюра имеет очертание по типу I. По мере уплотнения грунта эпюра переходит в тип II, а при низких давлениях воздуха в шине — в тип III. Максимальные контактные давления могут быть одинаковыми и при разных давлениях воздуха, т. е. при различных типах эпюр, чем и объясняется наблюдаемая иногда кажущаяся независимость эффекта уплотнения от давления воздуха в шине.
Переход к седлообразной эпюре распределения контактных давлений происходит, когда исчерпываются потенциальные возможности смятия шины, ведущего к увеличению контактной поверхности. Относительные значения такого смятия зависят от конструкции шины. Эластичные шины широкого профиля хорошо деформируются как в продольном, так и в поперечном направлениях и потенциальные возможности смятия в обоих направлениях исчерпываются при относительном смятии, равном 0,13—0,15, т. е. практически равном предельно допустимому его значению. У большинства автомобильных шин и шин, предназначенных для дорожных машин, возможности увеличения размеров контактной поверхности в поперечном направлении исчерпываются при значительно меньших нагрузках, чем в продольном направлении. Поэтому седлообразная эпюра в поперечном направлении появляется уже при нагрузках 0,5 Pдоп. При этом чаще всего очерчена эпюра по типу IIIб.
Появление седлообразной эпюры до определенных пределов не ухудшает уплотняющей способности катка. Это объясняется высокими контактными давлениями, действующими по краям контактной поверхности, т. е. по краям замкнутого контура, что создает эффект боковой пригрузке для объемов грунта, которые размещены внутри этого контура. В результате повышается напряженное состояние этих объемов. При седлообразной эпюре нагрузка на колесо не оказывает влияния на контактное давление той части поверхности, которая находится внутри контура. Это давление близко к давлению воздуха в шине.
За максимальное контактное давление, которое при рассмотрении процесса уплотнения следует принимать в расчет, надо полагать те значения, которые соответствуют краям контактной поверхности — при седлообразной эпюре и ее середине — при эпюрах типа I и II. Именно эти максимальные контактные давления в основном и влияют на достигаемую в итоге плотность грунта.
Максимальные значения относительных контактных давлений, т. е. давлений, получаемых как частное от деления их абсолютной величины на давление воздуха в шине, определяются нагрузкой на колесо. При автомобильных шинах и шинах, предназначенных для дорожных машин, можно полагать, что при нагрузке, близкой к допустимой Рдоп, максимальное контактное давление в 2 раза превышает давление воздуха в шине, а при нагрузке в 0,5Рдоп оно больше давления воздуха в 1,3 раза.
Давление воздуха в шинах практически не влияет на относительные максимальные контактные давления. Ho абсолютная величина максимальных давлений зависит и от давления воздуха. При этом можно полагать, что при постоянной нагрузке на колесо абсолютная величина максимальных контактных давлений прямо пропорциональна давлению воздуха в шинах.
Максимальные контактные давления высокоэластичных шин широкого профиля обычно превышают давление воздуха на 40%. Влиянием нагрузки на колесо вполне можно пренебречь.
Для практических целей представляют интерес абсолютные значения максимальных контактных давлений, так как они определяют эффект уплотнения. Именно эти давления не должны превышать пределов прочностей грунтов, но вместе с тем должны быть достаточными для получения требуемой плотности грунта. В итоге можно отметить, что при качении шины по плотной или почти плотной грунтовой поверхности основным фактором, определяющим максимальные контактные давления, является давление воздуха в шине. Нагрузка на колесо определяет распределение давлений по контактной поверхности и потому также оказывает влияние на максимальное контактное давление.
Выше уже приводились соотношения между давлением воздуха в шинах с развивающимися на контактной поверхности максимальными давлениями. Эти соотношения относятся к плотному или почти плотному грунту. Однако для практических целей возникает необходимость в определении контактных давлений не только при плотном, но и любом другом состоянии грунта. Движение пневматического колеса по грунту аналогично перекатыванию цилиндра по деформируемой поверхности. Поэтому для определения максимального контактного давления можно воспользоваться формулой H. М. Беляева (57). Для этой формулы R — внешний радиус шины, см; q — линейное давление, кгс/см2; υ1 и υ2 — коэффициенты упругости соответственно грунтовой поверхности и шины, см2/кгс. Коэффициент υ1 учитывает не только обратимую, но и необратимую части деформаций. Задача сводится к отысканию коэффициентов упругости и В итоге решения этой задачи были получены следующие формулы:
Уплотнение грунтов катками на пневматических шинах

где E0 — модуль деформации грунта, кгс/см2; P — нагрузка на колесо, кгс; pw — давление воздуха в шине, кгс/см2; D — наружный диаметр шины, см; В — ширина профиля шины, см.
Формула (57) выведена на основании предположения Герца, что распределение давлений по контактной поверхности происходит по закону эллипсоида, т. е. между средним и максимальным контактными давлениями существует соотношение
Уплотнение грунтов катками на пневматических шинах

Если а и b — большая и малая оси эллипса контактной поверхности, то имеет место еще следующее равенство:
Уплотнение грунтов катками на пневматических шинах

Практическая проверка точности формулы (80), при которой были использованы данные опытов В. А. Смоленцевой, позволили установить расхождение между опытными и расчетными значениями средних контактных давлений и получить следующие поправочные коэффициенты Km:
Уплотнение грунтов катками на пневматических шинах

Тогда формулы для определения σmax и σср примут вид:
Уплотнение грунтов катками на пневматических шинах

При определении линейного давления q нагрузку на колесо следует относить к ширине не беговой дорожки, а профиля шины, что облегчит расчеты. Такое допущение учтено при выводе поправочных коэффициентов.
При выборе типа катка, определении оптимального режима его работы и, в частности, давления воздуха в шинах и нагрузки на колесо следует руководствоваться формулами (82), (77) и (78). Найденное по формуле (82) максимальное контактное давление не должно превышать пределов прочностей, приведенных в табл. 43. При этом необходимо ориентироваться на конечную стадию уплотнения грунта, принимая модули деформации грунтов равными: Eo = 200 кгс/см2 для связных грунтов и Eo = 100—150 кгс/см2 для грунтов несвязных. Предварительную укатку грунтов надо выполнять более легкими катками, нагрузка на колесо которых составляет около половины значения, выбираемого для окончательного уплотнения грунта. Каток для подкатки может быть выбран из числа более легких моделей или же принят таким же, что и основной каток, но без балласта.
На первый взгляд кажется возможным как для основной работы по уплотнению грунта, так и для его подкатки использовать один и тот же каток, постепенно увеличивая давление воздуха в шинах. Однако такой метод может быть реализован лишь в ограниченных пределах. Из сказанного выше ясно, что понизить максимальные контактные давления при неизменной нагрузке на колесо можно путем значительного увеличения давления в шинах, в результате которого смятие шин, как правило, превзойдет допустимые пределы, что приведет к значительному их износу. Поэтому предварительное уплотнение грунтов следует вести другим, более легким катком. Однако постепенное повышение давления воздуха в шинах как при подкатке, так и при окончательном уплотнении способствует формированию плотной и прочной структуры и поэтому весьма желательно. К сожалению, лишь только некоторые конструкции прицепных и полуприцепных катков позволяют быстро изменять это давление.
Максимальные давления воздуха в шинах катков, соответствующие концу процесса уплотнения, должны быть возможно более близкими к пределам прочности грунтов в их плотном состоянии. Эта рекомендация не может быть выполнена при связных грунтах, обладающих высокими пределами прочностей, так как давление в стандартных шинах, как правило, не превышает 5,5—6 кгс/см2. Поэтому при таких давлениях и приходится завершить процесс уплотнения связных грунтов. Для грунтов малосвязных и несвязных это давление оказывается уже чрезмерно большим и его в зависимости от вида и состояния грунта приходится снижать до 3—4 кгс/см2. Для этих грунтов особенно важно иметь возможность регулировать давление в шинах, так как процесс уплотнения лучше всего начинать при давлении воздуха в шинах 2 кгс/см2. Полагая соотношение между большой и малой осями эллипса контактной поверхности равным 1,3 и учитывая формулы (79) и (81), можно найти малую ось, или, что то же, ширину контактной поверхности:
Уплотнение грунтов катками на пневматических шинах

Тогда, имея в виду формулу (51), можно определить глубину активной зоны для одиночного пневматического колеса при уплотнении связных грунтов:
Уплотнение грунтов катками на пневматических шинах

Глубина активной зоны зависит от размеров контактной поверхности, а также от контактного давления. Поэтому при ее определении следует учитывать не максимальное контактное давление, которое часто действует лишь на небольшой части поверхности, а среднее контактное давление. Это учтено при выводе формулы (85) путем снижения показателя степени основания натурального логарифма формулы (51) до 2/3 его первоначальной величины.
Из формулы (85) видна сложность зависимости глубины активной зоны от контактного давления, а следовательно, и от давления воздуха в шине. С одной стороны, уменьшение давления а шине снижает контактное давление на поверхности грунта, что уменьшает глубину активной зоны. С другой стороны, при постоянной нагрузке на колесо уменьшение давления влечет за собой увеличение поперечных размеров контактной поверхности, что увеличивает глубину активной зоны. Кроме того, при изменении давления в шине происходит перераспределение контактных давлений.
Уменьшение глубины активной зоны из-за снижения контактного давления становится существенным, лишь когда это давление оказывается меньше (0,5—0,6) σр. Поэтому при определенных соотношениях между давлением воздуха и нагрузкой на колесо снижение давления может привести не к уменьшению, а, наоборот, к увеличению глубины активной зоны. Так, если при постоянной нагрузке на колесо снизить давление воздуха в шине менее чем на 40—50%, то это уменьшит глубину активной зоны весьма незначительно, но вместе с тем повлечет за собой увеличение смятия шины, а следовательно, и поперечных размеров контактной поверхности, что увеличит глубину активной зоны. Это увеличение может быть более значительным, чем уменьшение ее, в связи с понижением уровня напряженного состояния грунта.
Кроме формулы (85), для определения глубины активной зоны при сдвоенных колесах и связных грунтах можно использовать также и формулу, выведенную в результате испытаний прицепных катков на пневматических шинах:
Уплотнение грунтов катками на пневматических шинах

где P — нагрузка на одно колесо, кгс; pw — давление воздуха в шинах, кгс/см2.
Постоянный коэффициент перед знаком радикала имеет размерность см2/кгс. Эта формула, так же как и формула (85), может быть использована для определения глубины активной зоны, когда влажности грунтов равны или меньше оптимальных значений. Обе формулы дают вполне приемлемую для практических расчетов точность. Однако формула (85) предпочтительнее, так как она в большей мере учитывает действительную картину работы пневматической шины на разных грунтах в широком диапазоне давлений воздуха и нагрузок на колесо.
Тягач для прицепных катков выбирают с учетом соотношения, определяемого формулой (70). Коэффициент сопротивления перекатыванию следует принимать f = 0,2 — в начале процесса укатки и f = 0,08—0,1 — в конце процесса.