VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV AUTOMOBILNÍHO A DOPRAVNÍHO INŽENÝRSTVÍ

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV AUTOMOBILNÍHO A DOPRAVNÍHO INŽENÝRSTVÍ

Ing. Jaroslav Kašpárek

OPTIMALIZACE HUTNÍCÍCH ÚČINKŮ VIBRAČNÍCH VÁLCŮ COMPACTION EFFECTS OPTIMIZING OF VIBRATORY ROLLERS

Zkrácená verze Ph.D. Thesis

Obor:

Konstrukční a procesní inženýrství

Školitel:

Doc. Ing. Miroslav Škopán, CSc.

Oponenti:

Prof. Ing. Věra Voštová, CSc. Prof. Ing. Miroslav Rousek, CSc.

Datum obhajoby: 16. 10. 2008

KLÍČOVÁ SLOVA vibrační hutnění, vibrační válec, vibrační běhoun, optimalizace hutnění, dynamický model řízení hutnění KEY WORDS vibratory compaction, vibratory roller, vibratory drum, optimize of compaction, dynamic model of compaction control MÍSTO ULOŽENÍ RUKOPISU DISERTAČNÍ PRÁCE Disertační práce je uložena v Areálové knihovně, Fakulta strojního inženýrství, Vysokého učení technického v Brně, Technická 2, 616 69 Brno.

© Jaroslav Kašpárek, 2008 ISBN 978-80-214-3781-4 ISSN 1213-4198

Obsah 1 CÍL PRÁCE............................................................................................................. 5 2 STAV VĚDY V OBLASTI ZHUTŇOVÁNÍ VIBRAČNÍMI VÁLCI .................. 6 2.1

2.2

Zhutňování běhouny vibračních válců................................................................................. 6 2.1.1 Hutnění statickými běhouny ..................................................................................... 6 2.1.2 Hutnění dynamickými běhouny ................................................................................ 6 Posuzování míry a intenzity zhutnění .................................................................................. 8

3 MODELOVÁNÍ VLASTNOSTÍ HUTNĚNÉHO MATERIÁLU.......................... 9 3.1 3.2

Analytické modelování fyzikálních vlastností hutněných materiálů ................................... 9 Simulace procesu hutnění numerickými metodami ........................................................... 11

4 DYNAMICKÉ MODELOVÁNÍ VIBRAČNÍHO VÁLCE V PROCESU HUTNĚNÍ ............................................................................................................. 12 5 OPTIMALIZACE HUTNÍCÍHO PROCESU ....................................................... 15 5.1 5.2

5.3

Stanovení parametrických funkcí a optimalizačních kritérií ............................................. 15 Parametrická lineární optimalizace procesu hutnění ......................................................... 15 5.2.1 Rozvaha použití typu hutnící technologie .............................................................. 16 5.2.2 Regulační parametrické vektory ............................................................................ 16 Dynamická optimalizace procesu hutnění ......................................................................... 18

6 EXPERIMENTÁLNÍ OVĚŘOVÁNÍ HUTNÍCÍHO PROCESU......................... 20 6.1 6.2

Měření hutnění vrstvy zeminy tahačovým vibračním válcem ........................................... 20 Hutnění vrstvy živičné směsi tandemovým vibračním válcem ......................................... 23

7 ZÁVĚR.................................................................................................................. 26 8 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY................................................................... 28 8.1 8.2

Použitá literatura ................................................................................................................ 28 Použitá literatura autora disertační práce ........................................................................... 30

3

1

CÍL PRÁCE

Proces hutnění soudržných a nesoudržných podloží je složitý fyzikální proces, který je ovlivněn výraznou heterogenitou hutněného materiálu i řadou různých typů hutnících zařízení. Stroje používané při hutnění jsou zpravidla různé konstrukce a rozličného způsobu technologie hutnění. Cílem práce je vytvořit model hutnění na základě fyzikálních poznatků, matematicky popsat proces hutnění běhouny vibračních válců, uplatnit kritéria optimalizace pro dané podmínky hutnění a navrhnout pro proces hutnění vhodné optimalizační řešení. Pro teoretické řešení tohoto problému je použito analytické metody řešení, případně i numerické výpočetní metody pomocí metody konečných prvků. Důležitými vlastnostmi hutnícího procesu pro vytvoření modelu jsou: • fyzikální vlastnosti zhutňovaného materiálu • chování materiálu v procesu hutnění běhouny vibračních válců • konstrukční a technologické možnosti a parametry vibračních válců • proměnné a regulovatelné parametry hutnících strojů • popis procesu hutnění vibračními válci ovlivňovaného měnícími se parametry vibrace. • kritérium optimalizace řízení pro dosažení požadovaných nebo předepsaných vlastností daného stavebního díla. Navržené modelové řízené hutnění je experimentálně ověřeno. Měřené veličiny jako výchylky a zrychlení při vibraci jsou při měření získávány pomocí aktivních snímačů zrychlení. Hodnoty jsou dále statisticky zpracovávány v dostupných počítačových programech. Měřením jsou zjišťovány další vlivy hutnícího běhounu na kvalitu zhutnění vrstev daných materiálů. Při optimalizování procesu hutnění, které je závěrečným bodem této práce, je užito poznatků z teoretických a experimentálních ověřování tak, aby došlo ke splnění základního požadavku optimálního hutnícího efektu při dodržení daných kritérií. Optimalizace hutnících účinků vibračních běhounů válců umožní přechod od dosavadních hutnících procesů k řízeným procesům hutnění. Půjde především o ovlivňování vibračních parametrů hutnící techniky, popř. bude dán směr vývoje technologických a konstrukčních prvků vibračních válců. Optimalizací se docílí odstranění nerovnoměrnosti při hutnění podloží a krytů komunikací a zvýší jejich kvalitu při úspoře energie

5

2

STAV VĚDY V OBLASTI ZHUTŇOVÁNÍ VIBRAČNÍMI VÁLCI

K vibračnímu zhutňování podloží staveb a krytů komunikací se přešlo po druhé světové válce. Do té doby byly komunikace hutněny běhouny válců bez vibračního účinku, které pracovaly na principu neustálých přejezdů po hutněném povrchu. Byly to válce statické s ocelovým běhounem pracující principem tlakového hutnění, nebo v pozdější době pneumatikové válce pracující na principu hnětění hutněné zeminy. Konečnou a postačující míru zhutnění určil odborný dozor stavby měřením podle tehdejších platných norem na místě během nebo po procesu hutnění. 2.1 ZHUTŇOVÁNÍ BĚHOUNY VIBRAČNÍCH VÁLCŮ 2.1.1

Hutnění statickými běhouny

Zhutňování zemin a jiných látek je jedna z nejdůležitějších technologických operací ve stavební výrobě. Dříve používaný proces hutnění zeminy podloží, přesněji zpevňování, byl prováděn pomocí válců bez vibračního působení běhounu, tedy statické zatěžování hutněného podloží. Tato technologie hutnění umožňuje ovlivnit míru zhutnění jen počtem přejezdů, neboť jediným parametrem stroje je hmotnost válce, respektive hmotnost válce připadající na jeden běhoun. 2.1.2

Hutnění dynamickými běhouny

Vzhledem k vysoké účinnosti je v současné době převážně používáno dynamického zhutňování vibračními běhouny válců. Zemina je intenzivněji zhutňována než u statického způsobu hutnění a k docílení požadované tuhosti podloží nebo živičného krytu je zapotřebí kratší doby. Povrch je tužší, protože intenzita vibrace působí nejen do větší hloubky, ale zároveň i do horizontální vzdálenosti vlivem přenosu chvění hutněným materiálem. Vibrační válce jsou jednoduché nebo složitější mechanické soustavy, kde nejdůležitější součástí je budič vibrací. Budiče vibrací jsou konstruovány tak, aby jejich účinky přispívaly k větší intenzitě hutnění. Základní částí vibračního budiče je zpravidla rotující nevývažek různých tvarů a uspořádání, jehož účinek lze charakterizovat tzv. kruhovou vibrací. Další variantou budiče vibrací jsou dva protiběžně rotující nevývažky, jejichž výsledný směr hutnící síly je dán součtem vektorů sil od jednotlivých nevývažků. Současná technologie hutnění upřednostňuje tři typy vibračních budičů s různým principem vibrace. Je to vibrační budič s usměrněnou vibrací (obr. 01–A), vibrační budič s neusměrněnou kruhovou vibrací (obr. 01–B) a vibrační budič s oscilačním účinkem vibrace (obr. 02). Zatím co vibrační budič s usměrněnou vibrací má dán směr a orientaci vektoru hutnící síly, neusměrněný vibrační budič nemá tento vektor hutnění přímo určený. Jeho směr je určen okamžitou úhlovou polohou rotujícího nevývažku.

6

Trend vývoje technologie buzení vibrace u vibrační techniky není zcela dán. V praxi jsou upřednostňovány první dva uvedené typy buzení vibrací a to vibrační budiče s usměrněnou nebo neusměrněnou kruhovou vibrací. Vibrační budič s oscilačním účinkem je málo používaným typem.

Obr. 01: Vibrační budič s: A) usměrněnou vibrací (vlevo); B) neusměrněnou kruhovou vibrací (vpravo) [5].

Obr. 02: Vibrační budič s oscilačním buzením [5]. Z hlediska konstrukční a fyzikální jednoduchosti je prosazován vibrační budič s neusměrněnou kruhovou vibrací. U něj je z konstrukčního hlediska možné měnit některé parametry plynule. Naopak vibrační budič s proměnlivým úhlem vektoru hutnící síly je sice složitější konstrukce, ale jeho fyzikální princip je možné přesněji popsat a jeho regulace je taktéž plynulá. Principem je naklápění vibračního budiče s usměrněnou vibrací z polohy, při kterém hutnící síla působí v rozsahu od směru svislého na povrch hutněné plochy do směru vodorovného s povrchem hutněné plochy. Vzhledem k absolutnímu souřadnému systému vztaženému k hutněnému povrchu se hutnící účinek od síly rozkládá na dvě složky, vertikální a horizontální. Přičemž vertikální složka hutnící síly má vliv na intenzitu a hloubku zhutnění, kdežto horizontální složka způsobuje pouze klouzání běhounu vibračního válce po ploše a její hutnící efekt je dán pouze třením běhounu o povrch hutněné vrstvy.

7

2.2 POSUZOVÁNÍ MÍRY A INTENZITY ZHUTNĚNÍ Problematice posuzování míry a intenzity zhutnění se v současnosti přistupuje podle různých metodik, jejichž základy jsou ustanoveny buď v normách, nebo dochází k uplatňování nových měřících postupů. Z dosavadního vývoje je volba vhodné metody, která má vést ke stanovení míry zhutnění podloží nejpřesnějším a nejméně náročným možným způsobem, ve střetu s patentovými a obchodními zájmy jednotlivých výrobců [66, 69, 71]. Do pozadí jsou v dnešní době zatlačovány klasické metody laboratorního typu, které měří požadované vlastnosti staticky na vybraném místě a převážně na konci hutnícího procesu, tedy konečné (off-line). Ty slouží jako metody referenční a při kontrolním stanovení míry zhutnění již hotového stavu [56, 61] (viz obr. 03).

Obr. 03: Laboratorní Proctorova zkouška zhutnitelnosti zemin standartní a modifikovaná; Křivka závislosti objemové hmotnosti na vlhkosti (vpravo)[75]. V současném trendu měření jsou používány metody, které umožňují popsat okamžitý stav hutněného podloží pod pracujícím vibračním běhounem (on-line metody) [51]. Tyto metody značně zvyšují efektivitu procesu hutnění a umožňují jak okamžitou reakci obsluhy stroje, tak i možnost automatické regulace stroje s ohledem na stav hutněného podloží a to bez vlivu lidského faktoru. Rozhodujícím faktorem pro regulaci průběhu hutnícího procesu je korektní a rychlá analýza míry zhutnění pod vibračním běhounem. Pro stanovení míry zhutnění jsou používány dvě poněkud odlišné metody – relativní a absolutní. Metody relativní poskytují informaci o relativní míře zhutnění, tzn. systém porovnání diference hodnot naměřených ve dvou po sobě následujících hutnících přejezdech. Absolutní metody měření míry zhutnění stanovují stav podloží fyzikální veličinou typu měrná hmotnost, tuhost nebo modul pružnosti hutněného podloží (obr. 04). Metody stanovující míry zhutnění on-line se staly díky trvalému rozvoji počítačové techniky uspokojivými a obecně přijatelnými metodami a jejich metodiky postupu vyhodnocování a regulace jsou podpořeny rozsáhlým výzkumem

8

v oblasti mechatronických procesů při zhutňování soudržných i nesoudržných podloží.

Obr. 04: Radiometrická sonda TROXLER 3411–B (vlevo); Princip měření u zemin (uprostřed) a asfaltových krytů (vpravo) [75]. K relativnímu způsobu zjišťování stavu zhutnění patří metody označované jako CCC (Continuous Compaction Control)[5, 8]. Tyto metody jsou založeny na principu nepřetržitého měření průběhu vertikálního, příp. i horizontálního chování vibračního běhounu v interakci s hutněným materiálem. Z naměřeného průběhu odezvy vibrace jsou na základě on-line statistického zpracování stanovovány hodnoty jako např. míra zhutnění. Tato hodnota je okamžitě a průběžně zobrazována obsluze stroje, která pak rozhodne, zda je zhutnění dostatečné nebo zda je nutno provést další hutnící přejezdy.

3

MODELOVÁNÍ VLASTNOSTÍ HUTNĚNÉHO MATERIÁLU

Zhutňovaná zemina se chová většinou jako pružně plastické prostředí. Nesourodost zeminy a její další vlastnosti, jako přítomnost vody, vzduchu a jiných fyzikálních faktorů, způsobují, že nelze nahradit zeminu vhodným prostředím s jednoznačně definovanými mechanickými vlastnostmi [32]. Poznatky, ke kterým se dospělo, dovolují pouze předpokládat, že se dají vlastnosti zeminy v jistém přiblížení modelovat systémem hmotností a tuhostí. Rozptyl energie se při zhutňování přičítá vnitřnímu útlumu v zemině a předpokládá se, že tento útlum má všeobecný charakter. Nejvýrazněji se projevuje třením a částečně i viskózními účinky, závislými na šíření deformace [32]. 3.1 ANALYTICKÉ MODELOVÁNÍ FYZIKÁLNÍCH VLASTNOSTÍ HUTNĚNÝCH MATERIÁLŮ Jsou známy pokusy o vytvoření náhradního modelu zeminy odpovídajícího svými vlastnostmi chování zhutňované zeminy. Některé z nich nepřihlížejí k spolupůsobící hmotnosti, která během zhutňování přilne k povrchu běhounů, případně která se vlivem vibračních účinků běhounů spolu s nimi rozkmitá. Jiné modely zahrnují

9

zeminu jistým opravným součinitelem již do ekvivalentní hmotnosti běhounu výpočtového modelu stroje. Při zkoumání této části problematiky bylo zjištěno, že Bartheltova představa o matematickém nahrazení pružně-plastických vlastností nezahrnuje všechny jevy, které nastávají při vibračním hutnění. Je také nutno respektovat hloubku účinku dynamického hutnění, ve které dochází k plastickým deformacím zeminy, dále pak k následné nehutněné vrstvě, ve které dochází pouze k pružným efektům a následnému přenosu chvění do základové půdy. Dále bude model podmíněn mnoha okrajovými podmínkami, které sice vymezují danou oblast hutnění, ale budou ovlivněny nepřímými faktory, které je také nutno definovat. Návrh upraveného výpočtového matematického modelu zeminy je uveden v [32] podle Bartheltova matematicko-fyzikálního modelování. V něm jsou zahrnuty i tlumící vlastnosti přírodních prvků v zemině. Při řešení návrhu matematického modelu vrstvy hutněné zeminy jsou pro tuto práci uvažovány zobrazené fyzikální prvky (viz obr. 05).

Obr. 05: Dynamický model zeminy[32]; a)Dynamický model před úderem běhounu; b) Dynamický model po úderu běhounu a jeho odskoku. Pro hutněnou vrstvu zeminy je tento model přípustný, pokud složení zeminy dle granulometrické specifikace nepřekročí zrnitostí štěrkopísek s maximální velikostí frakce štěrku 50mm a není tato zemina v optimální vlhkosti s tolerancí ± 10% . Při obsahu vyšší velikosti frakce s absencí menších frakcí jako písek, jíl a prach nebude při hutnění docházet k vytlačování vzduchových a kapilárních pórů, ale budou se štěrková zrna pouze ukládat do stabilnějších poloh. Omezující podmínky použitelnosti modelu byly později prokázány experimentálním ověřováním. Živičná směs je pro tento model, na rozdíl od zeminy, omezena z hlediska teploty a času. U zeminy je vlhkost při hutnění stálá, pokud ne, tak lze tento parametr ovlivnit dodatečným vlhčením příp. vysoušením. U živičné směsi je kamenivo obaleno v živičném pojivu – asfaltu, který má při optimální teplotě pokládky vrstvy (kolem 170° – 190°C) optimální viskozitu. S klesající teplotou tuhne živičné pojivo až na hodnotu limitující efektivnost hutnění. Po překročení této teploty může dojít k porušení struktury hutněné vrstvy a také k nedostatečnému energetickému příkonu stroje, tedy plýtváním energie bez potřebného efektu hutnění. Tento teplotní limit je dán dle ČSN 73 6121[63]. S klesající teplotou se zvyšuje tuhost soustavy, až dojde

10

k limitující podmínce k 1 = k 2 . S tuhnutím živičného pojiva klesá také možnost přemístění vzduchových pórů s obsahem páry na povrch hutněné vrstvy. Dochází k poklesu diference tlumení b mezi jednotlivými hutnícími přejezdy, které se nakonec přestane měnit a tlumení b se stává konstantní právě pro nemožnost pohybu pórů. Přes výše zmíněné omezení a nedostatky vyjmenované u jednotlivých matriálů lze konstatovat, že navržený dynamický model je použitelný v rámci modelování matematicko-fyzikálního popisu procesu hutnění pro případy hutnění vibračním běhounem válce na definovaných materiálech hutněné vrstvy. 3.2 SIMULACE PROCESU HUTNĚNÍ NUMERICKÝMI METODAMI Pro tvorbu modelu numerického řešení hutnícího procesu je v této práci použito vlastností vrstvy živičné směsi. Důvodem je vlastnost bližší homogennímu materiálu daná stejnou zrnitostí, ostrostí a materiálovou stejnorodostí. Zanedbána byla teplotní vlastnost, která s časem mění při chladnutí živičného pojiva tuhost vrstvy. Rozptyl energie se při zhutňování přičítá vnitřnímu útlumu v materiálu. Nejvýrazněji se projevuje třením a částečně i viskózními účinky, závislými na rychlosti šíření deformace. Tato numerická úloha byla řešena ve spolupráci s firmou MSC.Software s.r.o. v programu MSC MARC 2000. Proces hutnění je pro tuto numerickou úlohu definován jako kontaktní úloha, kterou nelze definovat obdobnými okrajovými podmínkami a vztahy platnými pro elastické nebo elasticko-plastické látky typu ocel, plast a další. Jako modelová základna je pro model hutnění v MKP zvolena rovinná úloha, tedy úloha dvourozměrná (2D). Běhoun válce je sice těleso třírozměrné, ale pro svoji lineární zatěžovací schopnost po celé šířce běhounu (kromě části okrajů běhounu) je zjednodušen na rovinné těleso. Omezující podmínkou je, že výsledné hodnoty ze zatěžování nebudou moci být vztahovány na okraje běhounu. Navíc je vibrační běhoun materiálově definován jako vysocetuhostní prvek, tedy deformace běhounu je ve všech osových směrech nulová. Tato zjednodušující podmínka je dána řádově několikanásobným rozdílem v materiálové vlastnosti modulu pružnosti mezi ocelí (materiál běhounu) a živičnou směsí. Pro model podloží je zvolen rovněž rovinný útvar o daných rozměrech. Tloušťka vzorku podloží odpovídá tloušťce živičného krytu pokládané při experimentální zkoušce. Materiálové vlastnosti modelu podloží jsou definovány dle zjištěných parametrů. Model podloží je pevně spojen se základem pomocí definovaných okrajových podmínek. Model je zatěžován silovými účinky dle parametrů stroje, tedy tíhou stroje a vektorem hutnící síly budiče s usměrněnou vibrací. Průběh hutnící síly je definován jako sinusový cyklický pohyb. Dále je definován odvalující se pohyb běhounu, tedy jízda modelu běhounu. Model hutnění je simulován v této části práce stejně, jako skutečný průběh hutnícího procesu. Model byl zatížen tíhovou silou běhounu i vektorem budící síly od usměrněné vibrace po dobu cca 1 sekundy, kdy se běhoun za tuto dobu pootočí o úhel přibližně 11

35° a projede dráhu cca 350mm. Vektor budící síly působí na podloží frekvencí 50 Hz a její směr má pro každou další simulaci jiný úhel sklonu. Pro první zatěžovací cyklus je úhel sklonu vektoru budící síly 90° (kolmo na podloží, viz obr. 06), dále pak 60°, 40°, 15°.

Obr. 06: Vertikální deformace při úhlu sklonu budiče 90o a jízdě vpřed [45, 50]. Z vypočteného modelu je možno zjistit hodnoty energetické náročnosti, deformační vlastnosti v závislosti na počtu cyklů a konečné míry zhutnění, které budou v další části této práce experimentálně ověřovány. Energetická náročnost, tedy množství vložené energie do procesu, je odlišná pro různé sklony budící síly vibračního běhounu, a to odpovídá našim předpokladům. Důsledkem klesajícího úhlu sklonu hutnící síly se mění energie hutnící na energii tření běhounu o živičné podloží. Tím dochází k nevratným přeměnám energie a tedy ztrátám.

4

DYNAMICKÉ MODELOVÁNÍ VIBRAČNÍHO VÁLCE V PROCESU HUTNĚNÍ

Proces hutnění je z hlediska fyzikálního nelineární úloha, daná právě heterogenitou materiálu podloží a kontaktní interakcí ocelového běhounu a podloží. V matematickém přiblížení lze analyticky modelovat samotný proces jako soustavu složenou z hmotnostních, tuhostních a tlumících prvků a jejich charakteristických parametrů. Proces hutnění je možno vyjádřit pomocí soustavy Lagrangeových pohybových rovnic, které vyjadřují vztah mezi danými modelovými prvky a osovou nebo případně úhlovou výchylkou vektoru hutnící síly. Pohybová rovnice vyjádřená v maticovém tvaru pak je [43]:

12

&& + B ⋅ q& + K ⋅ q = F(t , ϕ ) M⋅q (1) kde M je matice hmotností v modelové dynamické soustavě, B je matice tlumících prvků v modelové dynamické soustavě, K je matice tuhostí v modelové dynamické soustavě, F je matice silového vektoru hutnění v modelové dynamické

soustavě. Po úpravě můžeme vyjádřit regulační parametry při hutnění && + 2 ⋅ b p ⋅ Ω ⋅ q& + Ω 2 ⋅ q = q

F(t , ϕ ) M

(2)

kde Ω je vlastní úhlová frekvence netlumené soustavy, b p je poměrný útlum, F(t , ϕ ) je hutnící síla, jako funkce časová a úhlová. Z uvedené pohybové rovnice (1 a 2) jsou vybrány parametry, jejichž regulace ovlivňuje proces hutnění zemin soudržného i nesoudržného charakteru, a které budou v dalších částech této práce vstupními parametry pro optimalizaci. Jsou však parametry, které lze regulovat jen v omezeném intervalu, nebo regulovat nespojitě, nebo nelze z konstrukčních důvodů regulovat vůbec. Pro dynamický model je uvažován tandemový vibrační zhutňovací válec s regulovaným vektorem hutnění (obr. 07) [48], kde je dále uvažován předpoklad, že přední nebo zadní běhoun je vibračně buzen usměrněnou vibrací s daným směrem vektoru hutnění. Obecnými nezávislými souřadnicemi jsou zde jednotlivé translační nebo úhlové výchylky sledovaných částí stroje a podloží q 1 , q 2 , q 3 , q 4 , q 5 , q 6 , q 7 , q 8 , q 9 , q 10 . Maticový zápis pohybových rovnic má tvar: && + B ⋅ q& + K ⋅ q = F M⋅q [N] (3) Matice hmotnosti je diagonální: ⎡m ⎢ m ⎢ ⎢ I ⎢ M=⎢ m1 ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣

m1 m2

⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ m 2 ⎥⎦

(4)

Matice tuhosti je: − k 1,2 ⋅ h − k1 − k2 ⎤ 0 0 ⎡k 1,2 0 ⎢ − k1 − k2 k 1,2 k 1 ⋅ L1 − k 2 ⋅ L 2 0 0 ⎥⎥ ⎢ ⎢ k 1 ⋅ L21 + k 2 ⋅ L22 + k 1,2 ⋅ h 2 − k 1 ⋅ L1 k 1 ⋅ h k 2 ⋅ L 2 k 2 ⋅ h⎥ ⎢ ⎥ k1 + k 3 0 0 0 ⎥ (5) K=⎢ ⎢ k1 0 0 ⎥ ⎢ ⎥ k2 + k3 0 ⎥ ⎢ ⎢ k 2 ⎥⎦ ⎣ kde k 1, 2 = k 1 + k 2 je součet tuhostí k 1 a k 2 [N.m-1].

13

Matice tlumení je: − b1, 2 ⋅ h − b1 − b2 ⎤ 0 0 ⎡b1, 2 0 ⎢ − b1 − b2 b 1, 2 b1 ⋅ L1 − b 2 ⋅ L 2 0 0 ⎥⎥ ⎢ ⎢ b1 ⋅ L21 + b 2 ⋅ L22 + b1, 2 ⋅ h 2 − b1 ⋅ L1 b1 ⋅ h b 2 ⋅ L 2 b 2 ⋅ h⎥ ⎢ ⎥ b1 + b 3 0 0 0 ⎥ (6) B=⎢ ⎢ b1 0 0 ⎥ ⎢ ⎥ b2 + b3 0 ⎥ ⎢ ⎢ b 2 ⎥⎦ ⎣ kde b 1, 2 = b 1 + b 2 je součet tlumení b 1 a b 2 [N.s.m-1].

Obě matice, tedy matice tuhosti i matice tlumení, jsou symetrické podle hlavní diagonály.

Obr. 07: Dynamický model tandemového vibračního válce s usměrněnou vibrací a proměnným vektorem hutnící síly[48]. Vektor budící síly usměrněné vibrace hutnění: F = [0 0 0 F01 ⋅ sin ω 1 t 0 F02 ⋅ sin ω 2 t 0]

T

(7)

Dynamický model hutnícího procesu navržený v této kapitole (viz obr. 07) vystihuje vlastnosti zeminy popsané dříve, tedy model vystihuje možnost plastické deformace v závislosti na přejezdu běhounu válce, a kromě toho též možnost ztráty kontaktu s běhounem vibračního válce. Do modelu není zahrnuta hmotnost vrstvy zeminy pohybující se spolu s běhounem válce z důvodu zanedbatelné hmotnosti a vlivu vzhledem k tíhovým parametrům běhounu a stroje. Tření mezi povrchem hutněné zeminy a běhounem válce bylo rovněž zanedbáno. Důvodem je ztrátový efekt na výkon stroje, který se projevuje ve větší míře jen při sklonu vektoru hutnící

14

síly vodorovným s povrchem hutněné vrstvy. Tato skutečnost je později prokázána při experimentálním ověřování. Vlivem tření mezi povrchem hutněné zeminy a běhounem válce by bylo vhodné se zabývat u hutnění s oscilačním způsobem buzení, což není předmětem této práce. Vytvořený dynamický model bude využit při optimalizaci regulovatelných parametrů hutnícího stroje.

5

OPTIMALIZACE HUTNÍCÍHO PROCESU

Z dosavadních poznatků je možno konstatovat, že k optimalizaci hutnícího procesu lze přistupovat dle složitosti vstupů a kritérií dvěma směry. Jednodušším lineárním směrem je přístup přes parametrické lineární programování. Složitějším nelineárním směrem přístupu k řešení této optimalizace je dynamické modelování optimálního řešení. 5.1 STANOVENÍ PARAMETRICKÝCH FUNKCÍ A OPTIMALIZAČNÍCH KRITÉRIÍ Proces hutnění je kontaktní úloha, při které do systému vstupují parametry ze dvou stran. Jsou to parametry ze směru od běhounu válce, které mají charakter technických podmínek a konstrukčních omezení. Z druhé strany parametry od hutněné vrstvy materiálu, které mají charakter počátečních podmínek, gradientů růstu nebo poklesu daných fyzikální vlastností materiálu a konečným či limitním stavem daným laboratorním stanovením dle materiálových vlastností. Z hlediska řízení procesu je možno regulovat pouze parametry běhounu válce. Parametry hutněné vrstvy materiálu je možné pouze kontrolovat a zjišťovat jejich daný stav v daném okamžiku procesu hutnění. Výsledné zhodnocení procesu hutnění je však závislé na konečném stavu zhutněné vrstvy materiálu. Optimalizačními kriteriálními parametry procesu hutnění jsou především energetické minimum při použití regulace vektoru hutnící síly na hutněnou vrstvu, která má dosáhnout maximální nebo dané míry zhutnění rovnoměrně po sledované délce a při vykazovaných převážně nehomogenních vlastnostech hutněného materiálu. 5.2 PARAMETRICKÁ LINEÁRNÍ OPTIMALIZACE PROCESU HUTNĚNÍ Parametrické lineární optimalizování hutnícího procesu s parametrem v účelové funkci je z uvedených metod nejlépe uplatnitelná lineární metoda pro proces hutnění vibračními válci. Tuto úlohu je možné rozdělit do dvou samostatných úloh, přičemž první optimalizační úloha je rozvaha nad typem použité hutnící technologie běhounu válce a druhá optimalizační úloha je samotná optimalizace procesu hutnění daná 15

vybranou technologií hutnění. Důvodem je použitelnost především v počtu parametrů a vztahů, a tím i redukce parametrů v dané optimalizační úloze. 5.2.1

Rozvaha použití typu hutnící technologie

Pro řešení první optimalizační úlohy je voleno kritérium typu technologie hutnění a je přitom použita metoda váhových konstant, ve které je víceparametrický problém volby hutnící technologie řešen jednoparametrickým vektorem účelové funkce R 8 ({x 8 })

R 8 ({x 8 }) = {w}8 ⋅ f 8 ({x 8 })

(8) Tato jednoparametrická účelová funkce R 8 ({x 8 }) pracuje s vektorem optimalizačních parametrů typů vibračních technologií {x 8 } , který určuje velikostmi svých hodnot pořadí vhodných typů použité technologie hutnění pro daný případ: {x 8 } = [x usm ; x neusm ; x osc ]T (9) kde x usm je hodnota parametru vibračního hutnění s usměrněnou vibrací, x neusm je hodnota parametru vibračního hutnění s neusměrněnou vibrací, x osc je hodnota parametru vibračního hutnění s oscilační vibrací. Vektor účelových funkcí T f 8 ({x 8 }) = [f 8 (x stat ), f 8 (x usm ), f 8 (x osc )] (10) je pro parametrické účelové funkce definován dle optimalizační kriteriální funkce: T f 8 ({x 8 }) = [R 1 ({x 1 }), R 3 ({x 3 }), R 4 ({x 4 }), R 5 ({x 5 }), R 12 ({x 12 }), S 4 ({y 4 }), S 14 ({y 14 })] (11) Přičemž jednotlivé funkce parametrů mohou být normovány metodou funkce užitku (utility function). Výsledkem první parametrické lineární optimalizace je volba typu použité technologie vibračního hutnění (viz obr. 08), kterou lze vybrat vhodný typ stroje a provozovat jej na stavebním díle definovaném uvedenými parametry S i ({y i }) pro i = 1,2,...15 . Pokud lze uplatnit stroj, který obsahuje kombinace všech tří typů hutnících technologií, je tato první parametrická lineárně optimalizační úloha nadbytečná a jsou uplatněny tyto vektory parametrických funkcí v druhé parametrické lineárně optimalizační úloze. 5.2.2

Regulační parametrické vektory

Při řešení druhé parametrické optimalizační úlohy je kritériem optimalizace hutnícího procesu energetické minimum procesu hutnění při použití regulace vektoru hutnící síly na hutněnou vrstvu, která má dosáhnout maximální nebo dané míry zhutnění při vykazovaných převážně nehomogenních vlastnostech hutněného materiálu. Optimalizačním parametrem je tedy energie transformovaná přes běhoun válce do hutněné vrstvy R 12 ({x 12 }) při regulaci vektoru hutnící síly a vibrace R 9 ({x 9 }) (obr. 09).

16

Obr. 08: Blokové schéma první parametrické lineární optimalizační úlohy – Rozvaha použití typu hutnící technologie. Pokud má mít pro celý proces hutnění energie vložená do procesu hutnění minimální náročnost (hodnotu), je předpokladem, že pro každý hutnící přejezd má taktéž minimální energetickou náročnost. Regulací vektoru síly nebo vibrace zaručíme při různé energetické náročnosti stejnoměrnost míry a intenzity hutnění nehomogenního materiálu po sledované délce hutněné vrstvy. Pak tedy vektor účelových funkcí je T f 9 ({x 9 }) = [f 9 (x 9, 0 ), f 9 (x 9 ,15 ), f 9 (x 9 , 30 ), f 9 (x 9 ,45 ), f 9 (x 9 ,60 ), f 9 (x 9 ,75 ), f 9 (x 9, 90 )] (12) Dále pro parametrickou účelovou funkci je definován dle optimalizačního kriteria funkce: f 9 ({x 9 }) = [ R 2 ({x 2 }), R 4 ({x 4 }), R 6 ({x 6 }), R 8 ({x 8 }), R 10 ({x 10 }), S 2 ({y 2 }),

S 4 ({y 4 }), S 5 ({y 5 }), S 10 ({y 10 }), S 12 ({y 12 }), S 13 ({y 13 }), S 14 ({y 14 }) ]T

(13)

Parametrická účelová funkce R 8 ({x 8 }) není zahrnuta do vlivů, pokud byla před druhou optimalizační úlohou provedena první optimalizační úloha, při níž byla vybrána technologie hutnění pomocí usměrněné vibrace. U hutnění vibrací neusměrněnou nebo oscilační je nutno vycházet z jiných předpokladů, při nichž je jiná regulace než změnou úhlu vektoru hutnící síly.

17

Obr. 09: Blokové schéma druhé parametrické lineární optimalizační úlohy – regulační parametrické vektory pro regulaci usměrněné vibrace. 5.3 DYNAMICKÁ OPTIMALIZACE PROCESU HUTNĚNÍ Při matematickém modelování je možno pracovat pouze s informacemi o stavu modelovaného systému. Stavový prostor je určen podmínkami úlohy, kde pro změnu v rámci stavového prostoru je možno vybírat regulační vztahy a podmínky z regulačního prostoru. Z problematiky dynamického programování vyplývá nutnost stanovení posloupnosti regulačních vztahů. Proto u dynamického programování této úlohy bylo stanoveno rozvahové blokové schéma, které určuje posloupnost pro jednotlivé regulační parametry a zajišťuje přístup optimalizačního systému k hodnotám jejich počátečních stavů a prostoru stavových hodnot. Navržená posloupnost regulačních parametrů dle obr. 10 je závislá na počátečním stavu hutněné vrstvy materiálu před hutnícím přejezdem. Po zjištění počátečního stavu je proces hutnění matematicky simulován pro první hutnící přejezd na dynamickém modelu vibračního válce dle rovnice (3) až (7) pro daný typ stroje, reguluje vektor hutnící síly a vibrace s kritériem minima vložené energie při maximální účinku a s ohledem na předchozí hutnící účinky. Po dodání energie nutné 18

pro proces hutnění opět zjišťuje stav po přejezdu a z vyhodnocených změn a nových stavů se opět vrací na počátek procesu s novými vstupními hodnotami. Současně je během procesu kontrolován vztah ke konečnému stavu zhutnění při dodržení kritéria minimální energie hutnění. Počet hutnících přejezdů je tedy parametrem energetické účelové funkce, což je definováno při určení optimalizačních parametrů běhounu válce. Tedy podmínka minima přejezdů je v přímé úměře s minimem energie vynaložené na proces hutnění.

Obr. 10: Blokové schéma dynamické optimalizace procesu hutnění vibračním běhounem válce. Tato stanovená definice přímé úměry mezi hutnícími přejezdy a vynaloženou energií je v souladu s předpoklady uvažovanými při tvorbě dynamického modelu procesu hutnění (obr. 07), pro který je výkon spotřebovávaný lineární mechanickou soustavou modelu běhounu úměrný energetickým ztrátám z tlumení soustavy modelu materiálu vrstvy. Tento ztrátový výkon je dodáván hutnící silou, která je funkcí času s parametrem počtu hutnících přejezdů (zatěžovacích stavů), a to tehdy, pokud je zajištěno, že hutnící běhoun se pohybuje přes sledované místo plynulou rychlostí. Pokud běhoun stojí, je počet zatěžovacích stavů v čase úměrný pracovní frekvenci vibračního běhounu válce.

19

6

EXPERIMENTÁLNÍ OVĚŘOVÁNÍ HUTNÍCÍHO PROCESU

Experimentální ověřování teoretických závěrů uvedených v této práci bylo rozloženo do dvou částí, ve kterých bylo zjišťováno chování sériově vyrobeného hutnícího stroje s prototypem vibračního běhounu s usměrněnou regulovanou vibrací na dvou rozličných materiálech. Při tom ověřování bylo zjišťováno, zda a za jakou dobu jsou při proměnných parametrech splněny požadované limity míry zhutnění. Prvním hutněným materiálem byl zeminný materiál podkladních vrstev silniční komunikace. Druhým materiálem byla živičná směs, která vytváří kryt vozovek. 6.1 MĚŘENÍ HUTNĚNÍ VRSTVY ZEMINY TAHAČOVÝM VIBRAČNÍM VÁLCEM Pro provedení experimentálního ověřování regulace hutnění byl k dispozici vibrační tahačový válec typu VV 1500D, který byl vybaven prototypem vibračního běhounu s usměrněným vektorem vibrace. Celkový pohled na měřený vibrační válec je na obr. 11. Vibrační válec včetně prototypu regulačního mechanismu usměrněné vibrace byl výrobkem firmy STAVOSTROJ a.s (nyní AMMANN Czech republic a.s.). Prototyp regulačního automatu byl produktem firmy ECM, s.r.o., Brno. Při realizaci sběru dat z experimentu byl využíván měřící systém firmy BMC Messtechnik, včetně hardwarového vybavení.

Obr. 11: Celkový pohled na tahačový vibrační válec VV 1500D . Experimentální zkouška byla provedena na zeminné vrstvě na několika zkušebních polích. Tloušťka hutněné vrstvy zeminy byla cca 50cm, materiál vrstvy byl štěrkopísek – odtěžený, nezpracovaný s frakčním charakterem zrna od 20

jemnozrnného písku přes štěrky až po kameny s vlhkostí od 4,2% do 6,1% (měřeno radiometrickou sondou Troxler v kg vody na m3), což je blízké optimální vlhkosti hutněného materiálu. Teplota okolního vzduchu byla cca 13 oC a vlhkost vzduchu v době počátku měření na úrovni cca 55%, na konci měření na úrovní cca 45%, což v kombinaci s okolní teplotou nezpůsobovalo vysušení povrchu hutněné vrstvy a udržovalo vlhkost na stejné úrovni po celou dobu měření. V každém poli bylo snímáno chování hutněné soustavy v předem stanovených úhlech sklonu budiče a to pro sousledný a nesousledný pohyb. Na každém poli byly vyznačeny staniční značky (např. 1A, 1B…), které sloužily přesnějšímu určení polohy válce při vyhodnocování záznamu. Tyto značky byly do datového záznamu zaznamenány pomocí digitálního značkovače. Každý přejezd byl označen a uložen v databázi měření, a to pro jízdu vpřed i vzad. V této zkrácené verzi PhD. thesis je uveden příklad z vyhodnocení měření na poli č. 7 z celkového počtu 8 polí. Pole 7 – sklon vibračního budiče 65°, jízda sousledná Vzhled zhutněného pole byl pohledově ve směru jízdy utažený (viz obr. 13), proti směru jízdy také utažený bez plástvování. Vibroúder byl zaznamenán u značky 7D při 10 až 12 přejezdu.

Obr. 12: Časový průběh zrychlení běhounu vertikální a horizontální. Vzhledem k nízké homogenitě hutněné zeminy se předpokládá, že se na tomto místě v určité hloubce nachází frakce balvanité velikosti. Protože tento vibroúder vznikal pokaždé na tomto místě, je možno tuto část úseku pole vyloučit z výsledků měření z důvodu nestandartních podmínek měření. Pro stanovení vzájemné interakce vibrační běhoun – zemina byly měřeny hodnoty zrychlení na rámu běhounu, a to zvlášť vertikální a zvlášť horizontální (viz obr. 12). Dle zjištěných hodnot byly vyhodnoceny tyto vertikální a horizontální zrychlení (viz

21

tabulka 01) a dalších veličin v místech označených při měření značkovačem 7A, 7B, 7C, 7D.

vlastnosti

horizontální

vertikální

Tabulka 01: Hodnoty naměřených veličin pro sklon vibračního budiče 65° sousledné, statistické vyhodnocení, hodnoty stavu zhutnění. Veličina hodnota jednotka Poznámka -2 max avert 56,1 m.s min avert 45,56 m.s-2 medián avert 51, 9 m.s-2 průměr avert 51,8 m.s-2 směrodatná odchylka 1,854 m.s-2 variační koeficient 3,438 výchylka 1,67 mm frekvence 26,2 Hz CMV 18,11 vypovídající RMV 7,53 vypovídající -2 max ahor 30,58 m.s min ahor 18,78 m.s-2 medián ahor 25,58 m.s-2 průměr ahor 25 m.s-2 směrodatná odchylka 2,67 m.s-2 variační koeficient 7,132 výchylka 0,91 mm frekvence 26,24 Hz CMV 12,55 méně vypovídající RMV 6,01 méně vypovídající -3 suchá objem hmotnost 2062 kg.m vlhkost 5,7 % modul přetvárnosti Edef,1 18,9 MPa modul přetvárnosti Edef,2 74,9 MPa ne dle ČSN 72 1006 poměr Edef,2/Edef,1 3,963 dle ČSN 72 1006 Pro sousledný sklon vibračního budiče 65° je hloubková intenzita hutnění ve výsledcích hodnot vertikálních a horizontálních zrychlení vzhledem k intenzitě při sklonu vibračního budiče 90° opět v jistém poměru. Průběh CMV ve vertikálním směru vypovídá o stavu zhutněné vrstvy do hloubky, průběh CMV horizontální je méně vypovídající.

22

Obr. 13: Stav povrchu hutněné zeminné vrstvy na poli č. 7 ve směru jízdy. 6.2 HUTNĚNÍ VRSTVY ŽIVIČNÉ SMĚSI TANDEMOVÝM VIBRAČNÍM VÁLCEM Pro experimentální ověření hutnění živičného krytu byl k dispozici prototyp vibračního tandemového válce odvozený od typu VH 700, který byl vybaven předním vibračním běhounem s neusměrněným vektorem vibrace a prototypem zadního vibračního běhounu s regulovatelným usměrněným vektorem vibrace a prototypem regulačního automatu. Celkový pohled na vibrační tandemový válec je na obr. 14. Hutnící vibrační válec včetně prototypu regulačního mechanismu usměrněné vibrace běhounu byl výrobkem firmy STAVOSTROJ a.s (nyní AMMANN Czech Republic a.s.), prototyp regulačního automatu byl produktem firmy ECM s.r.o., Brno. Při realizaci experimentálního ověřování, na kterém se podílel Ústav dopravní techniky VUT v Brně, byl využíván měřící systém firmy BMC Messtechnik (SRN), včetně hardwarového vybavení. Proměnným a tedy regulovaným parametrem byl stanoven sklon vektoru hutnící síly usměrněné vibrace, a to od 0°(horizontální směr) do ±90° (vertikální směr). Celkový rozsah naklápění vibračního budiče tedy byl 180°. Smyslem tohoto rozsahu je zjištění vlivu směru jízdy na chování běhounu na hutněném podloží. Experimentální ověřovací zkouška byla provedena na vrstvě živičné směsi na čtyřech zkušebních polích. Tloušťka hutněné vrstvy živičného koberce byla cca 10cm. Materiál živičného podkladu byl OKS 1 – obalované kamenivo střednězrnné 1 třídy. V každém poli bylo snímáno chování hutněné soustavy v předem stanovených úhlech sklonu budiče. Na každém poli byly vyznačeny staniční body A, B, C a D, 23

které sloužily přesnějšímu určení polohy válce při vyhodnocování záznamu. Každý přejezd byl označen a uložen v databázi měření, a to pro jízdu vpřed i vzad. V této zkrácené verzi PhD. thesis je uveden příklad z vyhodnocení měření na poli č. 2 z celkového počtu čtyř polí.

Obr. 14: Celkový pohled na tandemový vibrační válec VH 700. Pole 2 – sklon vibračního budiče 41° Vzhled zhutněného pole byl pohledově celistvý bez prasklin a nepřehutněný. Vibroúder nebyl zaznamenán. Teplota při hutnění živičné směsi byla při prvním přejezdu 166,5°C, při poslední přejezdu byla naměřena hodnota 115°C. Na konci hutnění byla radiometrickou sondou Troxler vyhodnocena v místě B objemová hmotnost – suchá DD = 2322 kg ⋅ m −3 . Pro stanovení vzájemné interakce vibrační běhoun – vrstva živičné směsi byly měřeny hodnoty zrychlení na rámu běhounu, a to zvlášť vertikální a zvlášť horizontální (viz obr. 15). Dle zjištěných hodnot byly vyhodnoceny tyto vertikální a horizontální zrychlení (viz tabulka 02) a dalších veličin v místech označených při měření značkovačem.

24

horizontální

vertikální

Tabulka 02: Hodnoty naměřených veličin v místě B pro sklon vibračního budiče 41°, statistické vyhodnocení, hodnoty stavu zhutnění. Veličina hodnota jednotka Poznámka -2 max avert 77,4 m.s min avert 67,2 m.s-2 medián avert 70,8 m.s-2 průměr avert 71,5 m.s-2 směrodatná odchylka 2,93 m.s-2 variační koeficient 8,578 výchylka vertikální 0,7 mm frekvence 50,8 Hz CMV vertikální 92,7 méně vypovídající RMV vertikální 0,00 max ahor 62,2 m.s-2 min ahor 61,2 m.s-2 medián ahor 61,6 m.s-2 průměr ahor 61,6 m.s-2 směrodatná odchylka 0,294 m.s-2 variační koeficient 0,086 výchylka horizontální 0,8 mm frekvence 50,8 Hz CMV horizontální 35,50 méně vypovídající RMV horizontální 0,00 3

Obr. 15: Časový průběh zrychlení běhounu vertikální a horizontální. 25

7

ZÁVĚR

Předkládaná práce analyzuje problematiku vibračního zhutňování zejména s ohledem na identifikaci interakcí mezi vibračním běhounem a materiálem hutněné vrstvy, aplikuje tyto poznatky na modely pro analytické a numerické prostředí matematického řešení, navrhuje optimalizační metodu řešení procesu hutnění a experimentálně ověřuje efekt regulace parametrů na dvou různých hutněných materiálech. V úvodních kapitolách jsou uvedeny poznatky v oblasti hutnění běhouny vibračních válců. Jsou zde analyzovány především silové a energetické poměry pro různé druhy a typy vibrací, přičemž je přihlédnuto též k samotnému dynamickému efektu jízdy běhounu válce. Ze silových vztahů se vychází při určování energetických a výkonových poměrů a jejich roli v časovém hledisku procesu hutnění. V této úvodní části práce jsou také uvedeny používané metody pro posuzování míry a intenzity zhutnění vrstev hutněných materiálů daných rozměrovými charakteristikami a složením. V kapitolách o tvorbě modelů procesu hutnění jsou u analytického modelu popsány jednotlivé typy použitelných modelů hutněného materiálu nebo později i modelů hutnícího vibračního válce. Provedeno je též modelování procesu hutnění v prostředí numerických metod řešení metodou konečných prvků. Zjednodušené předpoklady rovinné úlohy s podmínkou zanedbání okrajových částí běhounu jsou dostatečným řešením pro určení průběhu, intenzity a míry zhutnění v předpokládaném prostředí, simulující homogenní složení materiálu hutněné vrstvy. Z výsledků numerické simulace jsou vysledovány jevy, které byly ověřeny i při souběžně prováděných experimentech. Výsledný dynamický model procesu hutnění je použit pro optimalizování podle kritérií daných podmínkami provozu. Optimalizace procesu hutnění je stěžejní částí této práce, ve které jsou stanoveny dva směry přístupu k řešení optimalizace hutnění. Záleží zde na náročnosti výpočetních úkonů regulačního systém. Lineární optimalizací můžou parametry jednotlivých účelových funkcí přímo ovlivňovat chování regulovaného parametru podle daného kritéria, u kterého je také předpokládán lineární průběh a lineární prostředí regulačního intervalu. Proces hutnění je už v úvodu definován jako převážně nelineární děj, proto pro zpřesnění výsledků optimalizace při zachování stejných kriteriálních předpokladů je navržen druhý optimalizační přístup přes dynamickou nelineární optimalizaci. Navržený optimalizační proces řešení této úlohy předpokládá přímý vstup jen některých parametrů, které svou posloupností v procesu vycházejí z procesního postup při hutnění. Jeho princip spočívá v matematickém řešení dynamického modelu hutnícího procesu, který získává informace o okamžitém stavu hutnění z množiny vektoru stavů buď průběžně měřených, nebo stanovených na počátku hutnění. Při dynamické optimalizaci reaguje regulovaný parametr změnou své hodnoty za předpokladu minima energetického kritéria. Tato optimalizace je náročnější na výpočtové úkony, na rychlost tohoto výpočtu a na zpětnovazebních

26

vztazích mezi parametry. Pro současný stav výpočetní techniky není tento model dynamické optimalizační úlohy nezvladatelný. Závěr této práce je věnován experimentálnímu ověřování získaných poznatků a vytvořených modelových procesů a stavů. Ověřovány jsou dva druhy materiálů, které jsou používány a hutněny vibračními válci. Nejprve je věnována pozornost podkladním vrstvám tvořených zeminou. Z hlediska použitelnosti provozních metod posuzování míry a intenzity zhutnění je směrodatné sledovat diference sledovaných hodnot než velikost. U hutněných vrstev ze živičných směsí je důležité sledovat teplotní stav hutněné vrstvy. Při ověřování regulace vektoru hutnící síly u tandemového vibračního válce je možno dle vizuálního stavu hutněné vrstvy využívat jak sousledného tak i nesousledného hutnění. Přínosem této práce je předložení doposud nepublikovaného přístupu k optimalizaci hutnícího procesu vibračními běhouny válců. Podle náročnosti vyhodnocovacích regulačních automatů, jejichž návrhové algoritmy regulace procesu hutnění jsou v této práci uvedeny, je možno volit druh optimalizačního postupu hutnění. Optimalizace hutnícího procesu je pro dané kritérium energetického minima simulována pomocí dynamického modelu a z výsledných hodnot předpokládaného děje této simulace procesu hutnění je regulován parametr stroje. V budoucích etapách výzkumu by bylo vhodné zaměřit se na možnost zpřesnění chování hutněné vrstvy materiálu, které je pro možnost použití v optimalizačním řešení zjednodušeno na dynamický model matematicky popsaný tlumícími a pružnými parametry. To by v budoucnu znamenalo implementaci matematického popisu chování partikulárních látek při hutnění do optimalizace hutnícího procesu za předpokladu regulace stávajících parametrů stroje. Vedlo by to nejen k přesnějším simulačním procesům, které by byly více blízké skutečnosti než zde uvedené zjednodušující předpoklady, ale byla by tu i možnost posoudit míru zhutnění i bez normovaných metod posuzování.

27

8

SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY

8.1 POUŽITÁ LITERATURA [1]

[2]

[3] [4] [5]

[6] [7] [8]

[9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19]

28

ANDEREGG, R.: Nichtlineare Schwingungen bei dynamischen Bodenverdichtern. Disertační práce, Ed. VDI Verlag. Düsseldorf 1998, 200 p., c 1998. ISBN 3-18314604-5. ANDEREGG, R.; KAUFMANN, K.: Geregelte Walzenzüge und die Flächendeckende Dynamische Verdichtungskontrolle (FKVD). In Strassen und Tiefbau, Heft 9., 2002 BABKOV, V.F.; a kol.: Nauka o zeminách a mechanika zemin. Ed. SNTL, Praha, 1954 BARTHELT : Das Arbeitsverhalten des Rüttlerverdichters auf plastischelastischem Untergrund. Ed. Bautechnik Archiv, Heft 12/1956 BRANDL, H.; ADAM, D.: Flächendeckende Dynamische Verdichtungskontrolle mit Vibrationswalzen. Grundlagenforschung und praktische Anwendung. Ed. Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie, Straßenforschung Heft 506, Wien, 275 p., c 2000. ISSN 0379-1491. BRÁT, V.; STEJSKAL, V.; VOTÝPKA, F.: Základy dynamiky strojů a konstrukcí, skriptum ČVUT v Praze, Praha, 1977 BREPTA, R.; PŮST, L.; TUREK, F.: Mechanické kmitání. Technický původce 71. Ed. Sobotáles Praha, c 1994. ISBN 80-901684-8-5. BRIAUD J.L.; SEO J.B.: Intelligent Compaction: Overview and Research Needs. Ed. Texas AM University, Report to the Federal Highway Administration, Washington D.C., 84 p., c 2003 BROCH, J.T.: Mechanical vibration and shock measurements. Ed. Brüel a. Kjaer: Naerum, 2 vyd., 370 p., c 1980. ISBN 87-87355-34-5. BYCHOVSKIJ, I.I.: Osnovy teorii vibracionnoj techniky. Ed. Izdatělstvo Mašinostrojenie, Moskva, 1969 DRAŽAN, F.: Zemní stroje. Ediční středisko Praha, skriptum ČVUT v Praze, 1981 DUPAČOVÁ, J.: Stochastické programování. Ed. MON, Praha, 1986 DUPAČOVÁ, J.; PLESNÍK, J.; VLACH, M.: Lineárne programovanie. Ed. Alfa, Bratislava, 1990 GRÜNNER, K.: Porovnavanie vlastností rozných druhou asfaltových zmesí, In Asfaltové vozovky 2001. Brno: Silmos, c 2001, p. 236-241 HARRIS, C.M.; CREDE, Ch.E.: Shock and Vibration Handbook. Ed. McGraw-Hill Book Company, New York, 1976 HULLA, J.; TURČEK P.: Zakladanie staveb. Ed. Jaga, Bratislava, 1998 KLAPKA, J.; DVOŘÁK, J.; POPELA, P.: Metody operačního výzkumu. Ed. Vutium Brno, skriptum VUT v Brně, c 2001. ISBN 80-214-1839-7. LAŠČIAK, A a kol.: Optimálne programovanie. Ed. ALFA, Bratislava, 1983 KLOUBERT, H.J.: Flächendeckende Dynamische Verdichtungskontrolle als Beitrag zur Qualitätssicherung im Erd- und Straßenbau. Ed. BOMAG GmbH, Boppard, 1993

[20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30]

[31] [32] [33] [34] [35] [36]

[37] [38] [39]

[40]

KOPF, F.; ADAM, D.: Optimierte Verdichtung durch selbstregelnde Walzen. In Tagungsband, 2. Österreichische Geotechniktagung, Ed. TU Wien, 1999 KOŽEŠNÍK, J.: Kmitání mechanických soustav, Academia, Praha, 1979 KRAJČOVIČ, M.: Dopravní stavby I. Ediční středisko Brno, skriptum VUT v Brně, 1998 KUDRNA, J.; HÝZL, P.: Zkoušení modulu tuhosti a únavy asfaltových směsí, In Asfaltové vozovky 2001. Brno: Silmos, c 2001, p. 341-343 LORENZ, H.: Grundbau – Dynamik. Ed. Springerverlag Berlin, 1966 MENCL, V.: Mechanika zemin a skalních hornin. Ed. Academia Praha, 329 p., Praha, 1966 MIGULIN, V.V.: Osnovy teorii kolebanij. Ed. Nauka, Moskva, 1988 MIŠUN, V.: Dynamika výrobních strojů. Ed. Akademické nakladatelství CERM Brno, skriptum VUT v Brně, c 2003. ISBN 80-214-2534-2. MYSLIVEC, A.; EICHLER, J.; JESENÁK, J.: Mechanika zemin. Ed. SNTL Praha, 388 p., Praha, 1970 NAVRÁTIL, M., PLUHAŘ, O.: Měření a analýza mechanického kmitání. Ed. SNTL Praha, 404 p., Praha, 1986 SCHÄFFNER, H. J.: Zeitlicher Verlauf und Klassifizierung dynamischer Verdichtungsvorgänge in Hinblick auf bodenmechanische und baupraktische Probleme, Berlin, 1964 PACAS, B.: Aplikovaná mechanika. Ed. STNL, skriptum VUT v Brně, Praha, 1984 PACAS, B.: Teorie stavebních strojů. Ed. STNL, skriptum VUT v Brně, Praha, 1986 PACAS, B.: Dynamika stavebních a zemědělských strojů. Ed. STNL, skriptum VUT v Brně, Praha, 1987 PÖSCH, H.; IKES, W.: Verdichtungstechnik und Verdichtungsgeräte im Erdbau. Ed. Verlag Ernst u. Sohn, Berlin, 1975 PŮST, L.; TONDL, A.: Kmitání lineárních soustav. skriptum ČVUT, Praha, 1972 REMEŠ, R.: Ammann Compaction Expert (ACE) - maximální efektivita hutnícího procesu, In Stavební technika 3/2006. Ed. Vega spol s r.o., Praha: c 2006, p. 10-11. ISSN 1214-6188. ŘÍHA, J.: Technologie stavebních dílců – technologické subsystémy. Ediční středisko Brno, skriptum VUT v Brně, 1978 ŠIMEK, J.; HOLOUŠOVÁ, T.: Mechanika zemin a zakládání staveb. skriptum ČVUT v Praze, Praha, 1996 URBANEC, K.: Porovnání zhutnitelnosti asfaltových směsí metodami rázového zhutňování podle prEN 12697-10, In Asfaltové vozovky 2001. Brno: Silmos, c 2001, p. 336-340 VAVERKA, M.; POKORNÝ, J.: POSITIONING AND CONTROLLING METHODS OF CONTINUOUSLY WORKING CONSTRUCTION MACHINES. In Současnost a perspektiva těžby a úpravy nerudních surovin IV. Ostrava, VŠB-TU Ostrava. 2007. p. 189 - 193. ISBN 978-80-248-1396-7.

29

[41] [42]

WILKINS, M.L.; CLINE, C.F.: Computer simulation of dynamic compaction. Ed. Lawrence Livermore National Lab., Livermore USA, 1982 WHITE, D.: Soil Compaction Monitoring Technology. Ed. Iowa State University, USA, 2004

8.2 POUŽITÁ LITERATURA AUTORA DISERTAČNÍ PRÁCE [43]

[44]

[45]

[46]

[47]

[48]

[49]

[50]

[51]

30

KAŠPÁREK, J.: Hutnící účinky vibračního běhounu v procesu zhutňování soudržných a nesoudržných podloží. In FSI Junior konference 2002, Soutěžní posterová prezentace vědeckovýzkumných prací doktorandů. Ed. Vysoké učení technické v Brně. Brno: c 2002, p. 107-115, ISBN 80-214-2290-4. KAŠPÁREK, J.: Optimalizace hutních účinků vibračních běhounů na podloží, In FSI Junior konference 2003, Soutěžní grantová posterová prezentace vědeckovýzkumných prací doktorandů. Ed. Vysoké učení technické v Brně. Brno: c 2003, p. 151-157, ISBN 80-214-2619-5. KAŠPÁREK J.; ŠKOPÁN, M.: Hutnící účinky vibračního běhounu s proměnným vektorem vibrace při hutnění. Brno, 2003, 28 p., Grantová vědeckovýzkumná práce MŠMT, Fond rozvoje vysokých škol 2003, ARVŠ 971 – 2003. KAŠPÁREK, J.; ŠKOPÁN, M.: Analýza hutnících účinků vibračních válců. In Zborník XXX. seminára katedier a inštitútov transportných, úpravárenskych, stavebných a poľnohospodárskych strojov, Herlany. Ed. TU Košice: c 2004 , p. 2532. ISBN 80-8073-164-0. KAŠPÁREK, J.; POKORNÝ, P.; ŠEBEK, R.: Analýza napjatosti v zeminách hutněných vibračním běhounem s proměnným úhlem vektoru vibrace, In Experimentální analýza napětí 2005, 43. mezinárodní konference Skalský dvůr. Ed. ISMMB Brno University of technology. Brno: c 2005, p. 41-47. ISBN 80-2142941-0. KAŠPÁREK, J.; ŠKOPÁN, M.: Vliv parametrů vibračního válce na proces hutnění, In Konference Dynamika tuhých a deformovatelných těles 2005, Sborník přednášek. Ed. ÚTŘV UJEP. Ústí Nad Labem: c 2005, p. 55-62. ISBN 80-7044-688-9. KAŠPÁREK J.; ŠKOPÁN, M.: Regulace parametrů vibračního běhounu při procesu hutnění soudržných a nesoudržných zemin, In konference Inženýrská mechanika 2006. Svratka. Ed. ITAM Academy of Science of the Czech Republic, Praha: c 2006, p. 154-155. ISBN 80-86246-27-2. ŠKOPÁN, M.; KAŠPÁREK, J.: Vibrationswalzen - Analyse Verdichtungseffekte bei veränderlichem Vibrationsvektor, In Fachtagung Baumaschinentechnik 2004. Magdeburg. Edit. by Forschungsvereinigung Bau- und Buastoffmaschinen e.V. Frankfurt/Main: c 2004, p. 315 – 322. ŠKOPÁN, M.; KAŠPÁREK, J.: Monitoring, regulace a simulace v procesu hutnění zemin, In Strojní kaleidoskop červenec – srpen 2006, p. 6-8. c 2006. ISSN 12139629.

Autorovo CV Titul: Jméno: Příjmení: Datum narození: Místo narození: Rodinný stav: Vzdělání: 1983 – 1992 1992 – 1996 1996 – 2001 13. 6. 2001 2001 – 2008 Odborná praxe: 1996 – 2001 2002 – 2004 2004 – 2008

Výuka: 2001 – 2004

Ing. Jaroslav Kašpárek 12. června 1977 Hustopeče ženatý Základní devítiletá škola ve Velkých Pavlovicích Střední průmyslová škola strojní E. Beneše v Břeclavi Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojní, Ústav dopravní techniky – Odbor stavebních, transportních a zemědělských strojů státní závěrečná zkouška a obhajoba diplomové práce na téma: Dvoumembránové uložení převodovky kolesového rypadla K 2000 (spolupráce s UNEX a.s.). doktorské studium na téma: Optimalizace hutnících účinků vibračních válců. technický pracovník konstrukce ve firmě OK Metall s r.o. strojírenský technik na Ústavu dopravní techniky, Fakulty strojního inženýrství, Vysokého učení technického v Brně. asistent na Ústavu automobilního a dopravního inženýrství, Fakulty strojního inženýrství, Vysokého učení technického v Brně.

2006 – dosud

cvičení předmětů:Aplikovaná mechanika stavebních strojů, Mechanické a hydraulické převody. Stroje pro zemní práce, Stroje pro stavbu komunikací, Technologie práce se zemními stroji, Experimentální metody v oboru. vedoucí diplomových a bakalářských prací.

Zájmy:

technická literatura, výpočetní technika, sport, kultura

Kontakty: e-mail telefon

[email protected] 541 142 432

2004 – dosud

31

Abstract Tato práce se zabývá problematikou procesu hutnění, určováním intenzity a míry zhutnění, způsobu vyhodnocování chování a měření odezvy hutněného materiálu a optimalizováním celého procesu hutnění vibračního běhounu. V práci jsou popsána experimentální měření na často hutněném podloží a jsou zde uvedeny získané poznatky. This paper deals with the problem of a compaction process, determination of intensity and degree of compaction, method of evaluation of behavior and measurement response in compacted subsoil and optimizing of compaction process of the vibratory roller. The paper describes also experimental measurement on the most common compacted subsoil. There are presented obtain results.

32