Математические модели взаимодействия рабочего органа дорожного катка с уплотняемой грунтовой средой с точки зрения энергоэффективности

Введение. Статья посвящена изучению особенностей моделирования процесса взаимодействия вибровальца с деформируемым грунтом при уплотнении технологических слоев автодороги.

Методы и материалы. Производится математическое моделирование колебательной системы «вибровалец катка – деформируемая среда», заключающееся в построении системы дифференциальных уравнений, описывающих взаимодействующие элементы системы. Система включает в себя массивные тела, обладающие различными совокупностями упругих, вязких и фрикционных свойств. Эти свойства соответствуют реологическим характеристикам рабочего органа катка и деформируемой им грунтовой среды.

Результаты. Представлены системы дифференциальных уравнений движения колеблющихся масс, позволяющие выявить особенности процесса уплотнения грунтов вибровальцами. На основе анализа уравнений систем выявлены параметры энергоэффективных режимов уплотнения и проведена их оценка с учетом известной зависимости коэффициента вязкого трения деформируемого грунта от влияния внешней деформирующей силы.

Обсуждение и заключение. Полученные результаты могут быть использованы для обоснования комплекса эксплуатационных параметров рациональных режимов работы виброкатка на различных этапах уплотнения.

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

2. Савельев С.В., Пермяков В.Б., Михеев В.В., Потеряев И.К. Инновационная уплотняющая техника и рекомендации по её использованию для ресурсосберегающих технологий дорожного строительства. Омск: Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ), 2019. 193 с.

3. Шишкин Е.А., Иванченко С.Н., Сидорков В.В. [и др.]. Исследование взаимосвязи конструктивных и технологических параметров вибрационных и осцилляционных катков // Научно-технический вестник Брянского государственного университета. 2021. № 2. С. 183–188.

4. Зайченко С.В. Исследование реологических характеристик грунтовых и бетонных смесей при их уплотнении // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2014. № 7:112–119.

5. Mikheyev V.V., Saveliev S.V., Permyakov V.B. Complex approach to the optimal energy efficient work pattern for vibratory roller // Journal of Physics: Conference Series, Omsk, 23–24 апреля 2019 года. Vol. 1260, 11. Omsk: Institute of Physics Publishing, 2019. P. 112020. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1260/11/112020

6. Баженов В.Г., Котов В. Л. Математическое моделирование нестационарных процессов удара и проникания осесимметричных тел и идентифика ция свойств грунтовых сред. М : ФИЗМАТЛИТ, 2011. 208 с.

7. Козлов В.В. Лагранжева механика и сухое трение // Нелинейная динамика. 2010. Т. 6, № 4:855–868.

8. Тарасов В.Н., Бояркина И.В., Серебренников В.С. Модуль деформации грунтов при уплотнении дорожным катком легкого типа // Строительные и дорожные машины. 2019. № 3:25–30.

9. Савельев С.В., Михеев В.В. Исследова ния деформирования упруго-вязкой среды при ударном нагружении // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. 2012. № 4(26):100–103.

10. Paulmichl I., Adam Ch., Adam D. Analytical modeling of the stick-slip motion of an oscillation drum // Acta Mechanica. 2019. Vol. 230, No. 9:3103 3126. https://doi.org/10.1007/s00707-019-02454-3. EDN VQNCJJ.

11. Yuan Ma, Wei Lu, Ying-cheng Luan, Tao Ma, Chuanle Wang. Research on global optimization mechanism of intelligent compaction parameters of soil subgrade based on difference method // Journal of Building Engineering. 2024. https://doi.org/10.1016/j. jobe.2023.108381

12. Мотова М.И., Шалфеев В.Д. От теории колебаний – к нелинейной динамике // Известия высших учебных заведений. Прикладная нели нейная динамика. 2014. Т. 22, № 1:93–103. https://doi.org/10.18500/0869-6632-2014-22-1-93-103. EDN SWKELJ.

13. Qinwu Xu, George K. Chang. Evaluation of intelligent compaction for asphalt materials // Automation in Construction. 2013. 104-112. https://doi.org/10.1016/j.autcon.2012.11.015

14. Ma Y., Chen F., Ma T., Huang X., Zhang Y. Intelligent compaction: An improved quality monitoring and control of asphalt pavement construction technology // IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems. 2021. Т. 23. №. 9:14875-14882.

15. Xu C., Chen Z., Li J., Xiao Y. Compaction of subgrade by high-energy impact rollers on an airport runway //Journal of performance of constructed facilities. 2014. Т. 28. №. 5. Pp. 04014021.

16. Stepien J, Chomicz-Kowalska A, Tutaj-Dudala M, Dudala M, Maciejewski K, Ramiaczek P, Iwanski MM. Influence of Compaction Methods on Properties of Roller-Compacted Concrete Pavement Wearing Surfaces. Materials. 2025; 18(3):492. https://doi.org/10.3390/ma18030492

17. Shi M., Wang J., Li Q., Cui Bo., Guan Sh., Zeng T. Accelerated earth-rockfill dam compaction by collaborative operation of unmanned roller fleet // Journal of Construction Engineering and Management. 2022. Т. 148. № 7. Pp. 04022046.

18. Jiao Yu., Zhao R., Chen Ye.H., Jiao Sh., Zhang X. A switched servo constraints control for the smart vibratory roller in unmanned compaction //Automation in Construction. 2023. Т. 152. Pp. 104883.

19. Головин О.В. Вибрационные машины // Международная научно-техническая конференция молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова: сборник докладов, Белгород, 20–21 мая 2024 года. Белгород: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 2024. С. 48–52. EDN XPTLQV.

20. Савельев С.В., Сачук Ю.С., Литовченко Р.Е. Обоснование параметров вибрационного пневмошинного катка для уплотнения грунтов при строительстве автодорог // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). 2023. № 2(73). С. 33–39. EDN GYZEFE.

21. Jonsson A. Modelling, simulation and experimental investigation of a rammer compactor machine // Department of Mechanical Engineering Blekinge Institute of Technology, Sweden, 2001. 24 p.

22. Зеленков Г.А., Каратаева Н.Г. Математическое моделирование в процессе формирования профессиональных компетенций // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2014.Т. 10, № 5-2. С. 76–79. EDN UHGVPF.

23. 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. 640–644. https://doi.org/10.24412/2071-6168-2023-12-640-641. EDN XVSTAZ.

24. Yao Y., Ruan Y., Chen J., Geng Y. Research on a real-time monitoring platform for compaction of high embankment in airport engineering //Journal of Construction Engineering and Management. 2018. Т. 144. №. 1. С. 04017096.

25. Zhang X., Luo T., Song Er.Bo., Geng Yi. Algorithm for optimal path planning of impact roller in high-embankment airport //Japanese Geotechnical Society Special Publication. 2020. Т. 8. №. 5:159-163.

26. Kuenzel R., Mueller M., Teizer J., Blickle A. SmartSite: Intelligent and autonomous environments, machinery, and processes to realize smart road construction projects //Automation in Construction. 2016. Т. 71:21-33.

27. Шишкин Е.А. Метод расчета фазового угла между вынуждающей силой вибровозбудителя и перемещением вальца // Вестник СибАДИ. 2024. Т. 21, № 3(97):388–394. https:// doi.org/10.26518/2071-7296-2024-21-3-388-394. EDN HQAJCW.

28. Тюремнов И.С., Шорохов Д.А. Моделирование взаимодействия вибрационного катка с уплотняемым грунтом // Вестник Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета. 2024. Т. 21, № 2(96). С. 202–216. https://doi.org/10.26518/2071-7296-2024-21-2-202-216. EDN BSOEFX.

29. Тюремнов И.С., Игнатьев А.А., Филатов И.С. Статистический анализ технических характеристик грунтовых вибрационных катков // Вестник Тихоокеанского государственного университета. 2014. № 3(34). С. 81–88. EDN STVNAD.

30. Xuefei Wang, Xiangdong Li, Jiale Li, Jian min Zhang, Guowei Ma. Training strategy and intelligent model for in-situ rapid measurement of subgrade compactness // Automation in Construction. 2024. https://doi.org/10.1016/j.autcon.2024.105581.

31. Речицкий А.С., Речицкий С.В. Сравнительный анализ уплотнения дорожными катками с раз личными рабочими органами // Фундаментальные и прикладные вопросы транспорта. 2024. № 1(12):79 85. https://doi.org/10.52170/2712-9195_2024_1_79. EDN FINDAC.

32. Клигунова З.А., Шишкин Е.А., Клигу нов Е.С. Математическое моделирование на пряженно-деформированного состояния грунта в процессе уплотнения дорожным катком // Транспортное, горное и строительное машиностроение: наука и производство. 2024. № 25: 67–72. https://doi.org/10.26160/2658-3305-2024-25-67-72. EDN SGRHRN.