Pobierz plik

LABORATORIUM MASZYN ROBOCZYCH
MECHANIKA SKRAWANIA PODŁOŻA
ASFALTOWEGO
Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego
Do użytku wewnętrznego
1.
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest doświadczalne określenie zależności oporów skrawania
betonu asfaltowego od temperatury próbki.
Badania wykonywane są na stanowisku laboratoryjnym, przy płaskim torze
skrawania, przy użyciu rzeczywistego zęba urabiającego stosowanego w bębnach
frezujących maszyn do profilowania nawierzchni asfaltowych, na próbkach z betonu
asfaltowego przygotowanych w laboratorium lub wyciętych z drogi.
2.
Maszyny do profilowania nawierzchni asfaltowych
Podczas naprawy i rekonstrukcji dróg wymagane jest często zdjęcie
określonej grubości warstwy nawierzchni asfaltowej. Naprawy polegające na
nakładaniu co pewien czas nowej wierzchniej warstwy nawierzchni prowadzą do
wielu niekorzystnych na dłuższą metę zjawisk:
•
konieczności przebudowy chodników i poboczy,
•
zmniejszenia się prześwitu tuneli i przejazdów pod wiaduktami,
•
zwiększenia się obciążeń mostów i wiaduktów,
•
konieczności przebudowy barier, przestawiania znaków drogowych itd.
Powszechne zastosowanie znalazły metody polegające na ścinaniu górnej
warstwy nawierzchni na długich odcinkach dróg. Stosowane są dwie technologie
tego rodzaju prac:
Skrawanie „na gorąco” polega na zastosowaniu maszyn (por. rys. 1), które
przy użyciu palników gazowych i (lub) elektrycznych promienników rozgrzewają
nawierzchnię asfaltową, zmniejszając w ten sposób opory skrawania betonu
asfaltowego, a następnie przy użyciu noży (zrywaków) ścinają górną warstwę
nawierzchni.
2
Wadą tej metody jest stosunkowo niewielka wydajność procesu, co spowodowane
jest ograniczeniem prędkości przesuwu maszyny tak, aby zapewnić czas konieczny
do nagrzania warstwy nawierzchni. Ze ściętej masy asfaltowej wykonywana jest
nowa warstwa wierzchnia, często po wymieszaniu jej z dodatkowo dodaną
mieszanką.
Rys.1.
Schemat maszyny pracującej na gorąco (typu Repaver)
1-urządzenie zasypowe nowej mieszanki, 2-przenośnik taśmowy, 3-zbiornik płynnego
gazu, 4-elementy podwieszone do układania nowej warstwy betonu asfaltowego
(przenośnik śrubowy do rozkładania, ubijak i belka wibracyjna), 5-oś tylna skrętna,
6,10,11-bloki promienników podczerwieni, 7-płyta wyrównująca, 8-rozkładacz
ślimakowy, 9-zrywak.
Skrawanie „na zimno” polega na zastosowaniu maszyn z bębnem frezującym
(oś bębna jest usytuowana poziomo i prostopadle do osi drogi), na którego obwodzie
rozmieszczone są zęby (kołki) skrawające. Szybki ruch obrotowy bębna, połączony z
powolnym przesuwem powoduje skrawanie nawierzchni asfaltowej. Ścięty asfalt
podawany jest przenośnikiem taśmowym na środki transportowe i może być
ponownie użyty jako jeden z surowców do wytwarzania nowej mieszanki.
Szkic maszyny do profilowania nawierzchni na zimno, schemat działania
bębna frezującego i kształt zęba pokazano na rys. 2. Ostrze zęba wykonane jest z
węglika wolframu, zaś sam ząb umocowany jest w obejmie tak, aby podczas pracy
mógł się obracać, co pozwala na jego równomierne zużywanie się.
3
Rys. 2.
a- schemat maszyny frezującej; b- schemat działania bębna
frezującego; c- kształt zęba.
Opracowanie metodyki obliczania układu bębna frezującego, porównanie
wydatku energetycznego dla obu przedstawionych wcześniej technologii skrawania
nawierzchni asfaltowej, jak również wybór optymalnego zakresu temperatury pracy
wymaga znajomości własności betonu asfaltowego oraz wpływu temperatury na opór
jego urabiania.
3.
Podstawowe własności reologiczne betonu asfaltowego
Beton asfaltowy jest mieszaniną niewielkiej ilości asfaltu i mieszanki
mineralnej o odpowiednio dobranym składzie ziarnowym. Po zmieszaniu asfaltu z
kruszywem na gorąco, mieszanka Jest rozkładana i zagęszczana. W skali makro
można traktować nawierzchnię z betonu asfaltowego jako ośrodek jednorodny. Jest
to, podobnie jak asfalt, ośrodek o własnościach lepkosprężystych.
Wszystkie własności reologiczne ośrodka lepkosprężystego zawarte są w
modelu Burgersa, złożonego z szeregowego połączenia modelu Maxwella i modelu
Kelvina (rys. 3). Model Maxwella jest szeregowym połączeniem elementu Newtona
uwzględniającego lepkość materiału i elementu Hooke’a uwzględniającego jego
sprężystość. Model Kelvina jest połączeniem równoległym elementu Newtona i
elementu Hooke’a.
Rys.3.
Model Burgersa, b-model Maxwella, c-model Kelvlna, d-element Newtona, e-
element Hooke’a .
Można zauważyć, że z powodu występującego w modelu Burgersa elementu
Newtona połączonego szeregowo, dowolnie małe obciążenie powodować będzie w
odpowiednio długim czasie dowolnie duże odkształcenie. Jest to więc model
opisujący ciecz lepkosprężystą.
5
Charakterystykę odkształcenia modelu pod działaniem w czasie od t0 do t1
stałego naprężenia σ pokazano na rysunku 4.
Rys. 4.
Odkształcenie ciała opisanego modelem Burgersa pod działaniem stałego
obciążenia w czasie od t0 do t1.
4.
Stanowisko badawcze
Stanowisko badawcze umożliwia poziomy przesuw narzędzia urabiającego
(rys.5). Źródło napędu stanowi silnik elektryczny (2) prądu stałego o mocy 0,3 kW i
maks. prędkości obrotowej 1500 obr/min, zasilany poprzez układ z tyrystorową
regulacją obrotów (15) TROS-I ps3a, sprzężony z fotoelektrycznym wskaźnikiem
obrotów silnika (1). Napęd przekazywany jest przez przekładnię ślimakową (3) i
sprzęgło elastyczne (4) na śrubę (6), osadzoną w łożyskach (5). Obrót śruby
powoduje poziomy przesuw ramy (7) po prowadnicach (9). Nastawne wyłączniki
krańcowe (8) powodują automatyczne odłączenie zasilania silnika w skrajnych
położeniach ramy.
Do belki ramy (7) umocowana jest śrubami podstawa (17) z układem
czujników pomiarowych (16) tak, że istnieje możliwość ustalenia jej położenia wzdłuż
belki. Czujniki współpracują z mostkiem tensometrycznym (18) i rejestratorem (19).
6
Rys. 5. Schemat stanowiska badawczego.
7
Z drugiej strony czujników pomiarowych umieszczony jest element (14), do którego
umocowana jest obejma (13) z zębem skrawającym. W ćwiczeniu używa się zęba
skrawającego wymontowanego z bębna frezującego maszyny firmy Caterpillar.
Istnieje możliwość ustawienia obejmy (13) w różnych położeniach, tak aby kąt
skrawania wynosił 30, 45, 60, 75 lub 90°.
Badane próbki z betonu asfaltowego umieszczone są na podstawie (11), o
wysokość i regulowanej przez ustawienie nakrętek (10). Pozwala to regulować
następujące parametry procesu roboczego:
•
prędkość skrawania v,
•
położenie zęba względem próbki patrząc w kierunku belki ramy (7),
•
głębokość skrawania (przez regulację wysokości ustawienia próbki nakrętkami
(10)),
•
kąt skrawania (przez ustawienia obejmy (13)).
Pomiar sił realizowany jest za pomocą dwóch oktaedrycznych czujników sił z
tensometrami naklejonymi w układzie pełnego mostka. Czujniki pomiarowe
współpracują z mostkami tensometrycznymi StR-01, a wychodzący z nich sygnał
napięciowy rejestrowany jest w funkcji czasu. Przegubowy układ zamocowania
elementu mocującego obejmę zęba do czujnika w punkcie 0 (rys.6) powoduje, że
(pomijając efekt tarcia) dolny czujnik rejestruje siłyP i Q o kierunkach odpowiednio
pionowym i poziomym, a górny czujnik rejestruje jedynie siłę poziomą R.
Znając wartości sił P, Q i R oraz długość ramienia a = 133, 5 mm, można
wyznaczyć wartości składowych Wx i Wy reakcji na zębie oraz położenie wektora W:
8
Rys. 6.
Schemat umieszczenia czujników i sposób wyznaczania sił.
Podstawowe zależności:
Wx = Q - R
Wy = P
W2= Wx2 + Wy2
tan(α) = Wy/Wx = P/(Q - R)
9
5.
Badane próbki
Przygotowano do ćwiczeń próbki o składzie wzorowanym na standardowej
nawierzchni utwardzonej, wykonanej z mieszaniny kruszywa mineralnego i asfaltu.
Skład typowej nawierzchni mineralnej:
kamień polny 6,3 – 12,8 mm
26,8%
kamień polny 2 – 8 mm
16,0%
kamień polny do 8 mm
17,0%
piasek do 0,4 mm
25,0%
mączka wapienna
9,0%
spoiwo asfaltowe D70
6,2%
razem:
6.
100,0%
Wykonanie ćwiczenia
Podczas ćwiczenia badane będą próbki o różnych temperaturach: o
temperaturze panującej w laboratorium (15 – 18°C) oraz próbki podgrzane (do temp.
40 – 60°C).
Przygotować stanowisko, a w szczególności:
- ustawić głębokość skrawania g = 5 ÷ 8 mm,
- podłączyć i wyregulować aparaturę pomiarową.
Kolejność postępowania podczas wykonywania próby jest następująca:
1. Ustawić badaną próbkę na podstawie, sprawdzić nastawy pomiarowe
mostków i rejestratora.
2. Włączyć rejestrator i jednocześnie włączyć zasilanie silnika, wykonać przejazd
na długości roboczej 20-25 cm z jednoczesną rejestracją trzech sił.
3. Po wyłączeniu silnika i rejestratora wyjąć śrubę blokującą płytę z czujnikiem
górnym i powrócić narzędziem do punktu wyjścia.
4. Wyjąć próbkę i dokonać obmiaru geometrycznego bruzdy; zarejestrować
średnią głębokość skrawania, oczyścić ostrze narzędzia.
10
Czynności te należy wykonywać sprawnie, aby próbka nie zdążyła ostygnąć po
wyjęciu jej z suszarki.
Uwaga: Przy przenoszeniu próbki używać rękawic; jeśli próbka ma temperaturę
powyżej 40°C to podkładać pod nią płaską płytę, aby nie zdeformowała się w czasie
przenoszenia.
7.
Opracowanie wyników
1)
Z otrzymanego zestawu krzywych (3 krzywe dla każdej próby) określić średnie
wartości wychylenia (np. przez splanimetrowanie pola powierzchni pod wykresami), a
następnie wyznaczyć średnie wartości sił P, Q i H i wyliczyć siły Wx, Wy i W.
Dane i wyniki zebrać w tabeli wg wzoru.
T
g
P
Q
R
Wx
Wy
W
[°C]
[mm]
[N]
[N]
[N]
[N]
[N]
[N]
Jeśli na skutek dużych oporów i niedostatecznej sztywności narzędzia wystąpiłyby
różnice pomiędzy nastawioną a rzeczywistą głębokością skrawania (zmierzoną jako
głębokość bruzdy) to skorygować uzyskane wartości odnosząc je do jednej
(nominalnej) głębokości skrawania. Przyjąć, że wartość oporów Wx i Wy jest
proporcjonalna do głębokości skrawania g. Zależność taka została stwierdzona
eksperymentalnie podczas wcześniejszych badań przeprowadzonych w IMRC PW.
2)
Wyrysować krzywe Wx = f(T) i Wy = f(T).
11
3)
Napisać wnioski z ćwiczenia, dotyczące w szczególności:
- zaobserwowanych różnic w przebiegu procesu skrawania betonu
asfaltowego w niskich i wysokich temperaturach,
- zależności składowych oporu skrawania od temperatury,
- wpływu budowy strukturalnej betonu asfaltowego na przebieg oporów
skrawania w niskich i wysokich temperaturach.
8.
Bibliografia
1. Jaworski J.: Badania oporu urabiania nawierzchni bitumicznych. Praca naukowobadawcza. IHRC PW 1993.
2. Kalabińska H. , Piłat J. ; Technologia materiałów i nawierzchni drogowych. PWH
Warszawa 1985.
3. Jaworski J.: Wpływ temperatury na opory skrawania betonu asfaltowego nożem
bębna frezującego. VIII Konferencja „Problemy Rozwoju Maszyn Roboczych”.
Zakopane, styczeń 1995.
12
LABORATORIUM
MRC
INSTYTUT MASZYN ROBOCZYCH CIĘŻKICH
Nr ćwiczenia:
TB2
Zespół:
Temat:
Mechanika skrawania podłoża asfaltowego
Grupa:
Lista osób wykonujących ćwiczenie:
1.
. ..........................................................................
2.
. ..........................................................................
3.
. ..........................................................................
4.
. ..........................................................................
5.
. ..........................................................................
6.
. ..........................................................................
7.
. ..........................................................................
8.
. ..........................................................................
9.
. ..........................................................................
10. . ..........................................................................
11. . ..........................................................................
12. . ..........................................................................
Data: