Исследование влияния динамических характеристик вибрационного катка на особенности взаимодействия элементов системы «рама-валец-грунт»

Введение. Вибрационные катки широко применяются для уплотнения грунтов в различных видах строительства. Технологическая эффективность вибрационных катков зависит от их технических характеристик, в том числе от частоты и вынуждающей силы колебаний, а также свойств грунта.

Материалы и методы. Для исследования взаимодействия элементов системы «рама-валец-грунт» разработана трёхмассная реологическая модель, позволяющая исследовать отрывные и безотрывные режимы колебаний вальца. Учет деформируемости вальца позволил сформировать более общую реологическую модель, применимую не только к гладковальцовым вибрационным каткам, но и к вибрационным каткам с гидрошинными, пневмошинными, обрезиненными и другими конструкциями деформируемых вальцов.

Результаты. По разработанной реологической модели был проведен вычислительный эксперимент для вибрационного катка DM-614. Значения максимальной контактной силы F_с^max , передаваемой вальцом на грунт, как правило, меньше значения вынуждающей силы Р. При увеличении значения вынуждающей силы Р и коэффициента упругого сопротивления грунта k_s значение F_с^max незначительно возрастает. При увеличении частоты колебаний уменьшается размах вертикальных колебаний вальца и его рамы, а также значения F_с^max во всём диапазоне допустимых значений k_s. Из-за нарушения симметричности осциллограммы контактной силы при переходе от режима «постоянный контакт» к режиму «частичный отрыв» с увеличением частоты колебаний вместо ожидаемого уменьшения значений времени нагружения t_н и разгрузки грунта t_р наблюдается их увеличение при определенных сочетаниях значений вынуждающей силы Р, частоты колебаний f и свойств грунта k_s. Поэтому при уплотнении грунта в завершающей стадии (при высоких значениях k_s) целесообразно увеличение частоты колебаний не только с целью предотвращения перехода в нежелательный режим «двойной прыжок», но и для увеличения продолжительности действия контактных напряжений, определяющей глубину их распространения и глубину зоны уплотнения грунта.

Обсуждение и заключение. Результаты исследования позволяют получить не только качественное описание влияния основных динамических характеристик вибрационного катка на его технологическую эффективность, динамические нагрузки на элементы конструкции и вибробезопасность, но и дать количественную оценку этих показателей. Проведенный анализ показал, что при проектировании новых и модернизации существующих вибрационных катков необходимо учитывать реализуемый режим колебаний, что ранее не учитывалось в практике отечественного дорожно-строительного машиностроения.

1. Тюремнов И.С., Игнатьев А.А., Фила тов И.С. Статистический анализ технических характеристик грунтовых вибрационных катков // Вестник Тихоокеанского государственного университета. 2014. № 3(34). С. 81–88. DOI: https://vestnik.pnu.edu.ru/vestnik/pub/articles/1987/

2. Тюремнов И.С. Анализ технических характеристик различных типов ударно-вибрационных грунтоуплотняющих машин // Вестник СибАДИ. 2023. Т. 20, № 6(94). С. 706–716. DOI: https://doi.org/10.26518/2071-7296-2023-20-6-706-716

3. Fathi A. et al. Assessing depth of influence of intelligent compaction rollers by integrating laboratory testing and field measurements // Transp. Geotech. 2021. Vol. 28. P. 100509. DOI: https://doi.org/10.1016/j.trgeo.2020.100509

4. Shen J. et al. Co-simulation for optimal working parameter selection during soil vibratory compaction process // J. Terramechanics. 2024. Vol. 112. P. 45–57. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jterra.2023.12.002

5. Li S. et al. Dynamic characteristics of subgrade-bridge transitions in heavy-haul railways under roller excitation // Transp. Geotech. 2021. Vol. 29. P. 100589. DOI: https://doi.org/10.1016/j.trgeo.2021.100589

6. Wu K. et al. Discrete Element Modeling of Vibration Compaction Effect of the Vibratory Roller in Roundtrips on Gravels // J. Test. Eval. 2021. Vol. 49. P. 20190910. DOI: https://doi.org/10.1520/JTE20190910

7. Peng H. et al. Discrete element simulation of vibration compaction of slag subgrade // Sci. Rep. 2024. Vol. 14. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-55276-2

8. Quist J. et al. UNDERSÖKNING AV SEPARATIONSEFFEKTER VID KOMPAKTERING AV OBUNDNA MATERIAL. SBUF ID: 13820. 2021. 56 p.

9. Li Y., She C. Discrete Simulation of Vibratory Roller Compaction of Field Rockfills // Shock Vib. 2021. Vol. 2021. P. 1–15. DOI: https://doi.org/10.1155/2021/9246947

10. Попов Г.Н. Выбор параметров прицепных вибрационных катков для уплотнения грунтовых оснований // Тр. ЛПИ, вып. 321. 1972. С. 114–119.

11. Anderegg R., Von Felten D.A., Kaufmann K. Compaction monitoring using intelligent soil compactors // GeoCongress 2006 Geotech. Eng. Inf. Technol. Age. Atlanta, 2006. Vol. 2006, № Jönsson. P. 41.

12. Шишкин Е.А., Смоляков А.А. Обоснование способа регулирования контактного усилия вибрационного вальца с уплотняемым материалом // Системы. Методы. Технологии. 2022. № 1(53). С. 36–42. DOI: https://doi.org/10.18324/2077-5415-2022-1-36-42

13. Шишкин Е.А., Смоляков А.А. Исследование спектра ускорения вибрационного вальца в процессе уплотнения грунта // Вестник СибАДИ. 2025. Т. 22(2). С. 182–192. DOI: https://doi.org/10.26518/2071-7296-2025-22-2-182-192

14. Yoo T.-S., Selig E.T. Dynamics of Vibratory-Roller Compaction // J. Geotech. Eng. Div. ASCE. 1979. № 105 (GT10). P. 1211–1231.

15. Siminiati D., Hren D. Simulation on vibratory roller-soil interaction // Adv. Eng. 2008. Vol. 2, № 1. P. 111–120.

16. Pistrol J. et al. Consideration of the Variable Contact Geometry in Vibratory Roller Compaction // Infrastructures. 2023. Vol. 8, № 110. P. 1–15. DOI: https://doi.org/10.3390/infrastructures8070110

17. Шабанова Г.И., Савельев С.В., Бурый Г.Г. Математическое описание колебательной системы “вибрационный рабочий орган - грунт” // Вестник СибАДИ. 2013. № 3(31). С. 102–107.

18. Susante P., Mooney M. Capturing Nonlinear Vibratory Roller Compactor Behavior through Lumped Parameter Modeling // J. Eng. Mech. 1996. P. 684–693. DOI: https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9399(2008)134:8(684)

19. Шишкин Е.А., Смоляков А.А. Моделирование взаимодействия вибрационного вальца дорожного катка с уплотняемым грунтом // Транспортное, горное и строительное машиностроение наука и производство. 2024. № 26. С. 60–67. DOI: https://doi.org/10.26160/2658-3305-2024-26-60-67

20. Тюремнов И.С., Шорохов Д.А. Моделирование взаимодействия вибрационного катка с уплотняемым грунтом // Вестник СибАДИ. 2024. Т. 21, № 2. С. 202–216. https://doi.org/10.26518/2071-7296-2024-21-2-202-216

21. Михеев В.В., Савельев С.В. Математическая модель уплотнения упруговязкопластичной грунтовой среды при взаимодействии с рабочим органом дорожной машины в рамках модифицированного подхода сосредоточенных параметров // Вестник СибАДИ. 2017. № 2(54). С. 28–36. DOI: https://doi.org/10.26518/2071-7296-2017-2(54)-28-36

22. Тарасов В.Н., Бояркина И.В., Серебренников В.С. Аналитический метод исследования вертикальных перемещений вибровальца дорожного катка при уплотнении материалов и грунтов // Строительные и дорожные машины. 2019. № 7. С. 13–18.

23. Савельев С.В., Михеев В.В., Белодед А.С. Математическая модель процесса динамического деформирования уплотняемой упруго вязкой пластичной среды // Вестник СибАДИ. 2016. № 3(49). С. 99–105. DOI: https://doi.org/10.26518/2071-7296-2016-3(49)-99-105

24. Носов С.В. Математическое моделирование динамики наземных транспортно-технологических средств при взаимодействии с деформируемым опорным основанием: Монография. Липецк: Липецкий государственный технический университет, 2016. 164 с.

25. Lu Y. et al. Research on vibratory & oscillatory coexistence nonlinear dynamics based on drum-subgrade coupling model // Int. J. Non. Linear. Mech. 2023. Vol. 157. P. 104536. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijnonlinmec.2023.104536

26. Adam D., Kopf F. Operational Devices for Compaction Optimization and Quality Control (Continuous Compaction Control & Light Falling Weight Device) // Proc. Int. Semin. Geotech. Pavement Railw. Des. Constr. Athens, Greece. 2004. P. 97–106.

27. Mooney M. et al. Intelligent Soil Compaction Systems. NCHRP Report 676. Washington, D.C.: Transportati on Research Board, 2010. 178 p.

28. Anderegg R., Kaufmann K. Intelligent compaction with vibratory rollers: feedback control systems in automatic compaction and compaction control // Transp. Res. 2004. Vol. 1868. P. 124–134.

29. Dobrescu C. The dynamic response of the vibrating compactor roller, depending on the viscoelastic properties of the soil // Appl. Syst. Innov. 2020. Vol. 3, № 2. P. 1–10. DOI: https://doi.org/10.3390/asi3020025

30. Dobrescu C. Comparative Analysis of the Voigt–Kelvin and Maxwell Models in the Compaction by Vibration Process // Springer Proc. Phys. Springer International Publishing, 2021. № 251. P. 359–366. DOI:10.1007/978-3-030-54136-1_36

31. Мерданов Ш.М. Изготовление опытного образца вибрационного гидрошинного катка // Современные наукоемкие технологии. 2016. Т. 5, № 2. С. 270–275.

32. Савельев С.В., Михеев В.В., Сачук Ю.С. Эффективность использования вибрации в пневмошинных дорожных катках при устройстве автомобильных дорог // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. № 12. С. 640–641. DOI: https://doi.org/10.24412/2071-6168-2023-12-640-641

33. Захаренко А.В. Определение параметров резинового слоя на гладком вальце дорожного катка // Строительные и дорожные машины. 2018. № 1. С. 25–26.

34. Pistrol J. et al. Theoretical and experimental investigation of continuous compaction control (CCC) systems // 17th Nord. Geotechn. Meet. Challeng. Nord. Geotech. 25. P. 865–872. https://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_249454.pdf

35. Тюремнов И.С. О разработке методологии прогнозирования технологических возможностей ударно-вибрационных грунтоуплотняющих машин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2024. № 9. С. 689–692. DOI: https://doi.org/10.24412/2071-6168-2024-9-689-690

36. Тюремнов И.С., Игнатьев А.А. Уплотнение грунтов вибрационными катками : монография. Ярославль: Изд-во ЯГТУ, 2012. 140 p.

37. Тюремнов И.С., Игнатьев А.А. Расчёт распределения напряжений в грунтах с линейным законом изменения плотности по глубине от динамической поверхностной нагрузки // Строительные и дорожные машины. 2013. № 1. С. 40–42.

38. Тюремнов И.С. Обзор систем непрерывного контроля уплотнения грунта для вибрационных катков. Часть 3. Особенности функционирования и “интеллектуальное уплотнение” // Вестник Тихоокеанского государственного университета. 2016. № 2(41). С. 115–122.

39. Тюремнов И.С., Игнатьев А.А., Попов Ю.Г. Анализ рекомендаций по назначению режимов работы вибрационных катков при уплотнении грунтов // Строительные и дорожные машины. 2011. № 12. С. 31–35.