Портал о строительстве и ремонтных работах

Архивы за 01.11.2014

Для уплотнения дорожных покрытий в последнее время широкое применение находят вибрационные машины. К ним относятся виброкат­ки, поверхностные вибромашины, бетоноотделочные машины и глубин­ные вибраторы. Эти машины применяются при уплотнении цементобе­тонных и асфальтобетонных покрытий, щебеночных и гравийных основа­ний дорог, а также слоев грунта, укрепленного цементом.

Вибромашины могут быть самоходными, прицепными, навесными и переставляемыми. Прицепные и самоходные вибрационные катки приме­няются при уплотнении как асфальтобетонных покрытий, так и различ­ного рода оснований дорог. Поверхностные вибромашины служат для уплотнения грунтов, щебеночных и гравийных оснований и покрытий дорог. Для уплотнения цементобетонных покрытий применяются специ­альные бетоноотделочные машины (финишеры). При толщине покры­
тий свыше 25 см для уплотнения бетонной смеси используются глубин­ные вибраторы.

Привод вибрационной машины осуществляется как от двигателей внутреннего сгорания, так и от электродвигателей. В настоящее время находит применение также комбинированный привод: дизель-электриче — ский, дизель-гидравлический и электропневматический.

Для придания рабочему органу машины колебательных движений устанавливается специальный возбудитель колебаний — вибратор. Коле­бания от вибратора через рабочую плиту, валец или корпус передаются уплотняемой среде.

По принципу действия различают центробежные, инерционные и вибраторы ударного действия. В центробежных возмущающая сила со­здается за счет вращения неуравновешенных масс. Возмущающая сила инерционных вибраторов развивается в результате возвратно-поступа­тельного движения масс. В вибраторах ударного типа возмущающая сила возникает при соударении подвижных масс.

Все механические вибраторы можно разделить на регулируемые и нерегулируемые, одночастотные и поличастотные, направленного и нена­правленного действия.

Основные принципиальные схемы дебалансов вибраторов показа­ны на рис. 14.5. Сечение неуравновешенных частей — дебалансов — чаще всего имеет форму кольцевого сектора, круга или прямоугольника. Оптимальная форма и размеры дебалансов выбираются из условия ми­нимума веса дебаланса и его момента инерции при заданной величине возмущающей силы.

Возмущающая сила виброэлемента в каждый момент времени рав­на проекции на вертикальную ось той центробежной силы, которая раз­вивается при вращении дебаланса, а амплитудное значение возмущаю­щей силы Р равно центробежной силе, т. е.

2 Gj 2

m = mzw =—zw ^ (14 11)

где Gd — вес дебаланса в кИ, w ~ угловая скорость вращения в с’1,

z — эксцентриситет, т. е. радиус вращения центра тяжести дебаланса, в см.

Для удобства расчетов из уравнения обычно выделяют величину

Мк= Gaz, кН/см, (14.12)

которую условно называют кинетическим моментом дебаланса.

Кинетический момент секторного дебаланса (рис. 14.5, а) равен

MK =^8b(Rl — R^)sn~g, KH-см (14.13)

где b — толщина дебаланса в см; R2 — наружный радиус дебаланса в см; Ri — внутренний радиус дебаланса в см; а — центральный угол сектора; 5 — плотность материала дебаланса в кг/м3.

Рис. 14.5. Основные принципиальные схемы дебалансов вибраторов: а — секторный дебаланс; б — дебаланс в виде эксцентричного диска; в — виброэлемеит с раздвижными дебалансами; г и д — регулируемые стержневые виброэлементы; е — схема двухвально — го вибратора направленного действия; ж — схема одновального вибратора направленного действия.

Для дебаланса, выполненного в виде эксцентрично установленного диска (рис. 14.5, б), кинетический момент равен:

ггТр’

М = 8bz-g, KH-CM, (14.14)

4

где D — диаметр диска в см; z — эксцентриситет ц. т. диска в см.

Кинетический момент вибратора, выполненного в виде уравновешен­ного диска с дебалансными массами, установленными с постоянным шагом (рис. 14.5, г и д), и равен геометрической сумме кинетических моментов отдельных дебалансных масс.

В вибраторах ненаправленного действия вектор центробежной силы Q вращается с угловой скоростью со, тогда проекции этого вектора на оси координат х и у найдутся как

Р = Q sincot,

(14.15)

X }

Ру — Q coscot

В регулируемых вибраторах величина центробежной силы при по­стоянной частоте вращения вала вибратора может регулироваться изме­нением эксцентриситета или веса дебаланса.

Для раздвижных дебалансов (рис. 14.5, в) суммарная возмущающая сила равна:

(14.16)

где (3 — угол между осями дебалансов.

Различают регулируемые вибраторы с плавным и ступенчатым изме­нением центробежной силы. Наиболее совершенными являются регули­руемые вибраторы с плавным изменением, осуществляемым на ходу машины.

(14.17)

В вибраторах направленного действия возмущающая сила имеет определенное направление и изменяет только свою величину. Направлен­ные колебания можно получить установкой двух дебалансных валов, вра­щающихся в противоположные стороны с равной частотой вращения. При этом горизонтальные составляющие центробежных сил взаимно уравновешиваются (рис. 14.5, е). Вертикальные составляющие создают суммарную возмущающую силу, изменяющуюся по закону

P=2Qsin wt.

Одновальный вибратор направленного действия показан на рис. 14.5, ж. Здесь два дебаланса вращаются в противоположные стороны с оди­наковой угловой скоростью. Суммарная возмущающая сила равна гео­метрической сумме вертикальных составляющих центробежных сил. По сравнению с двухвальными такие вибраторы более компактны и имеют меньшие габариты, однако они более сложны по конструкции.

В дебалансных вибраторах центробежная сила дебалансов полнос­тью передается на подшипники вала. С целью разгрузки подшипников предложена конструкция бегункового вибратора (рис. 14.6, а). Здесь де­баланс 1, выполненный в виде цилиндрического ролика, катится по внут­ренней поверхности беговой дорожки 2. Движение к ролику от водила 3 передается через специальный поводок 4. Центробежная сила, возникаю­
щая при вращении водила, передается непосредственно на корпус вибро­элемента. Подшипники ролика нагружены только тем усилием, которое необходимо для преодоления сопротивления перекатыванию его по бего­вой дорожке.

Рис. 14.6. Схемы бегунковых (поводковых) вибраторов: а — одночастотного; б — поличастотного.

В случае применения дебалансных роликов (рис. 14.6, б) возникают две центробежные силы различной частоты. Одна возмущающая сила раз­вивается вследствие вращения ц. т. ролика относительно оси О, а вторая — ввиду вращения ролика относительно своей оси 0;. Движение ролика в этом случае можно представить состоящим из поступательного вместе с центром ролика и вращательного относительно этого центра.

При поступательном движении центробежная сила Р изменяется с частотой вращения водила сод. Ее амплитудное значение определяется из выражения

P=P’l+P,’=(M+m)Roj?0, (14.18)

где Р’; — составляющая центробежной силы от массы М, сосредоточенная в точке 0;; Р” — составляющая центробежной силы от массы т, прило­женная в ц. т. дебаланса (в точке А); М — масса уравновешенной части

ролика в кГ, т — масса дебаланса ролика в кг; Р — радиус центра ролика.

Вторая сила, изменяющаяся с частотой со , возникает вследствие вращения неуравновешенного ролика вокруг своей оси:
где е — эксцентриситет дебалансной части ролика, сор — абсолютная угловая скорость вращения ролика в с’1,

со =-со„, (14.20)

г

При установке нескольких дебалансных роликов различного диа­метра результативная возмущающая сила равна геометрической сумме составляющих возмущающих сил. Большое значение при этом имеют начальные углы установки дебалансных роликов.

В существующих конструкциях поличастотных бегунковых (поводко­вых) вибраторов дебалансные ролики свободно перекатываются по бе­говой дорожке только за счет сил трения. Уменьшение сил трения при вибрации, чему способствует наличие масла в корпусе вибратора, силы инерции при пуске, а также противодействующий момент дебалансной части создают условия для проскальзывания ролика относительно бего­вой дорожки. Это вызывает уменьшение частоты вращения ролика и в некоторых случаях — его остановку. Наличие скольжения изменяет ха­рактер результативной возмущающей силы, делает ее переменной и не позволяет иметь стабильный режим вибрации. Параметры бегунковых поличастотных вибраторов необходимо выбирать с учетом отсутствия отрыва и скольжения ролика. При заданных параметрах необходимо со­здавать условия, при которых коэффициент трения ролика по беговой дорожке корпуса вибратора будет больше минимального.

В ряде вибромашин широко распространено применение выдвиж­ных дебалансов. Последние рекомендуются для вибромашин, подвергаю­щихся частому включению, особенно тех, где приводом служит двигатель внутреннего сгорания. При этом выдвижные дебалансы значительно уменьшают пусковой момент двигателя. Принципиальная схема их уст­ройства приведена на рис. 14.7.

Для возбуждения колебаний вибромашин применяются также пла­нетарные бесподшипниковые одночастотные и поличастотные вибра­торы. Принципиальные схемы их изображены на рис. 14.8. Различа­ют вибраторы с наружной и внутренней обкаткой. В виброэлементе с наружной обкаткой (рис. 14.8, а) дебаланс, приводимый во враще­ние двигателем, обкатывается своей наружной поверхностью внутри втулки, закрепленной в корпусе вибратора. В вибраторах с внутрен­ней обкаткой (рис. 14.8, б) пустотелый ролик обкатывается своей внутренней поверхностью вокруг стержня, укрепленного в корпусе виброэлемента.

Рис. 14.7. Конструкция вибратора с выдвижным дебалансом: 1 — выдвижной дебаланс; 2 — обойма; 3 — стержень, 4 — пружины; 5 — втулка; 6 — регулировочное кольцо.

Рис. 14.8. Принципиальные схемы вибраторов планетарного типа: а — с наружной обкаткой; б — с внутренней обкаткой.

Наличие дебалансного ролика позволяет получить поличастотный режим вибрации. Низкая частота равна частоте вращения вала привода, высокая — частоте обкатываний бегунка. При заданной частоте враще­ния приводной штанги пд число обкатываний бегунка с внешней обкат­кой равно:

п =7Г~£~Ги». (14.21)

D%,~dc

— а при обкатке ролика вокруг центрального стержня (внутренняя обкатка)

Dp

пі=7ГГ, Г”°- (14-22>

Up ас

где dp — наружный диаметр ролика в см, De — внутренний диаметр

втулки в см, Dp — диаметр внутренней поверхности ролика в см, dc —

наружный диаметр стержня в см.

При малой разнице диаметров обкатывающихся поверхностей вы­сокая частота стремится к бесконечности. Сейчас уже достигнуты час­тоты до 300-350 Гц.

В некоторых вибрационных машинах находят применение вибро­ударные механизмы. Во время работы вибромашины подвижная часть сообщает плите вибрационные колебания (через опорные пружины) и ударные импульсы (через шабот). Таким образом, виброударный меха­низм оказывает одновременно как ударное, так и вибрационное воздей­ствие. Устойчивый режим работы имеет место в тех случаях, когда отношение числа оборотов виброэлемента к числу ударов представляет собой целое число. Устойчивость работы ударного механизма зависит от соотношения масс подвижной части и плиты, жесткости опорных пру­жин и начального зазора.

Ударный режим работы оказывает более интенсивное воздействие на уплотняемую среду и значительно повышает эффективность уплот­нения дорожно-строительных материалов по сравнению с обычным вибрационным. Виброударные механизмы применяются в машинах для изготовления железобетонных изделий, в вибромолотах для погружения свай и шпунта, а также в ручном инструменте.

Кроме механических нашли распространение гидравлические, пнев­матические, электромагнитные и электродинамические вибраторы.

Все уплотняемые материалы представляют собой упруго-вязко-пла­стичные системы, свойства которых в настоящее время недостаточно изучены. Нет также и обоснованной теории деформирования таких сред.

Поэтому при выборе мощности двигателя, определении амплитуд колеба­ний и т. п. лучше всего руководствоваться опытными данными. Вместе с тем в настоящее время разработаны методы расчета, основанные на предположении, что уплотняемый материал обладает только упругим или только вязким сопротивлением, а иногда учитываются как упругие, так и вязкие свойства. Однако во всех случаях исходные зависимости упрощаются, так как иначе задача становится неразрешимой. Результа­тами решения таких задач можно пользоваться главным образом для относительного сопоставления различных вариантов при проектировании вибрационных машин.

Предполагая колебания гармоническими, а уплотняемую среду — абсолютно упругой и имеющей вязкое сопротивление, находят ту мощ­ность двигателя, которая необходима для работы вибратора. Эта мощ­ность расходуется на сообщение колебательного движения уплотняемой среде, а также на преодоление трения в подшипниках виброэлементов.

Мощность, необходимая для сообщения уплотняемому материалу колебательных движений при наличии вязкого сопротивления и направ­ленных колебаний вибратора, в общем виде может быть определена по следующей формуле:

а2 а2 Расо. „ .

N. =——- =——- smcp, KBm, (14.23)

1 2-102 2-102

где а — амплитуда колебаний вибромашины, со — круговая частота коле­баний, с — коэффициент вязкого сопротивления уплотняемой среды, Р — амплитудное значение возмущающей силы вибратора, ф — угол сдвига фаз, который может быть определен из выражения:

ссо, .

tg<P = — Г’ (14.24)

к-тсо

где k — условная жесткость уплотняемого материала, т — масса вибро­машины.

Коэффициент вязкого сопротивления зависит от площади рабочей плиты вибромашины.

Удельное сопротивление с т. е. сопротивление плиты, площадь

которой равна 1 м2, по данным М. П. Зубанова равна: для асфальто­

бетонной смеси — 800 кН с/м3, для жесткой цементобетонной смеси — 400-600 кН с/м3. Если площадь плиты равна F, то коэффициент вязко­го сопротивления

с — с F. (14.25)

О

Для вибромашины с ненаправленными колебаниями, например для глубинного вибратора, необходимо суммировать мощность, расходуемую на колебания во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Мощность, расходуемая на преодоление сил трения в опорах, опре­делится как

N2 = nfPdn, (14.26)

где d — диаметр вала подшипника, п — частота вращения вала, / — условный (приведенный к валу) коэффициент трения подшипников. При расчетах можно принять для всех типов подшипников качения / = 0,005-0,010.

Общая мощность привода виброэлемента

лг Nx+N2

N=— L, (14.27)

V

где ц — кпд трансмиссии привода.

При уплотнении гравийных, щебеночных и асфальтобетонных покры­тий широкое применение нашли самоходные вибрационные катки. Виб­рокатки имеют меньшую металлоемкость и энергоемкость, большую мане­вренность и транспортабельность по сравнению с невибрационными кат­ками и в то же время обеспечивают требуемую степень уплотнения и необходимую ровность покрытия.

Асфальтобетон, уплотненный виброкатками, при правильном подбо­ре параметров катка и режимов вибрации имеет большую плотность и механическую прочность, а следовательно, меньшую водонасыщаемость, чем при уплотнении обычными катками. Важным является и то, что при виброуплотнении не происходит дробления скелетного материала, что позволяет использовать местные слабые горные породы.

Однако при уплотнении виброкатками верхнего слоя асфальтобетон­ного покрытия происходит выдавливание битума на поверхность, что недо­пустимо при устройстве шероховатых покрытий. Для самоходных катков наблюдается явление потери тяговой способности или управляемости, что налагает определенные ограничения на выбор параметров. Значительный шум, возникающий при работе катка, и передача вибраций окружающим сооружениям и коммуникациям ограничивают применение вибрационных катков в городских условиях и на промышленных площадках. Важную роль играет также амортизация механизмов катка и рабочего места опера­тора. Все эти причины ограничивают использование вибрационных катков.

Виброкатки для уплотнения дорожных покрытий выполняются само­ходными одновальцовыми, двухвальцовыми и трехвальцовыми. В послед­
нем случае третий валец является дополнительным (прицепным или навесным). Наибольшее распространение получили двухвальцовые са­моходные вибрационные катки. Вибрационным может быть как веду­щий, так и управляемый валец. При наличии вибрации резко уменьша­ются условные коэффициенты трения и спепления вальца с уплотняе­мой смесью, что резко снижает определяемую по сцеплению силу тяги катка в тех случаях, когда вибровалец является ведущим. Если виброва­лец ведомый, то это явление приводит к потере управления. Для ликви­дации этих недостатков в некоторых случаях в качестве вибрационно­го применяется третий (навесной или прицепной) валец.

Самоходный вибрационный каток показан на рис. 14.9. Вибрацион­ный каток отличается от обычного моторного наличием дебалансного вибратора ненаправленного действия, установленного в заднем привод­ном вальце, упругой подвески вибровальца и механизма привода вибра­тора, выполняемого обычно в виде клиноременной передачи.

Рис. 14.9. Принципиальная схема вибрационного двухвальцового самоходного катка: 1 — двигатель внутреннего сгорания; 2 — рама катка; 3 — вибровалец; 4 — механизм привода; 5 — управляемый валец; 6 — механизм управления.

В настоящее время теория уплотнения дорожных покрытий вибро­катками еще не разработана, поэтому выбор основных параметров сле­дует производить, исходя из опытных данных.

При проектировании катков следует обеспечивать возможность регу­лирования частоты колебаний и величины возмущающей силы в более или менее широких пределах. Это позволит применять каток для уплот­нения различных материалов и каждый раз выбирать наиболее выгод­ный режим работы.

За последнее время имеет место тенденция к повышению частот коле­баний. Для самоходных виброкатков рекомендуется частота 50-70 гц. Даль­нейшее увеличение частоты ограничивается техническими возможностями создания надежной и долговечной конструкции вибратора катка.

Характер колебаний не оказывает существенного влияния на степень уп­лотнения. Поэтому в виброкатках, за редким исключением, используются вибра­торы с круговыми колебаниями. Возмущающая сила выбирается в пределах

P=(4-6)G (14.28)

где G — вес колеблющихся частей катка.

При таком соотношении между Р и G амплитуда колебаний вальца самоходного катка находится в пределах 0,3-0,7 мм. Следует заметить, что при а = 0,3-0,4 мм вибровалец работает практически без отрыва от уплотняемой среды, а при большей амплитуде наблюдается отрыв катка и переход в режим вибротрамбования. При излишне больших амплиту­дах колебаний наблюдается потеря тяговой способности и боковой устойчивости.

Рекомендуемые рабочие скорости перемещения находятся в преде­лах 1,2-2,2 км/ч. В некоторых случаях рабочая скорость движения катка достигает 6 км/ч. При этом необходимое число проходов по одной полосе несколько повышается. Предварительная подкатка уплот­няемого материала производится обычным катком или виброкатком с выключенным вибратором.

Выбор геометрических параметров, тяговый и прочностные расчеты, определение мощности и т. д. производятся теми же методами, что и для обычных прицепных и самоходных катков.

Глубинные вибраторы применяются для уплотнения бетонных сме­сей при строительстве дорожных и аэродромных покрытий повышенной толщины, а также при изготовлении железобетонных изделий и массив­ных бетонных строительных конструкций.

По частоте различают вибраторы нормальной (50 Гц) и повышен­ной (150-300 Гц) частоты.

В качестве привода используются асинхронные двигатели нормаль­ной и повышенной частоты, портативные двигатели внутреннего сгора-

ния, пневматические и гидравлические двигатели. По передаче мощнос­ти от двигателя к вибромеханизму различают вибраторы со встроенным двигателем и вибраторы с гибким валом. По характеру перемещения глубинные вибраторы можно разделить на ручные и перемещаемые в пакетах с помощью кранов или других транспортных средств. В странах СНГ производятся электромеханические и пневматичес­кие вибраторы. Конструкция электромеханического вибратора представ­лена на рис. 14.10, а. Внутри круглого корпуса на подшипниках качения установлен дебалансный вал. Привод вала осуществляется от асинхрон­ного двигателя, вмонтированного в тот же самый корпус. Мощные под­весные глубинные вибраторы со встроенным двигателем имеют плане­тарный бесподшипниковый вибромеханизм с внутренней обкаткой.

Рис. 14.10. Основные типы глубинных ручных вибраторов: а — электромеханический вибратор со встроенным двигателем; б — внешний вид вибратора с гибким валом; в — рабочий наконеч­ник вибратора с гибким валом; г — пневматический планетарный вибратор с внутренней обкаткой.

.в)

Вибраторы с гибким валом (рис. 14.10, б) применяются при уплот­нении бетонной смеси в густоармированных конструкциях. В этих виб­раторах двигатель соединяется с вибромеханизмом гибким валом дли­ной около 3,6 м. В качестве возбудителя колебаний используются деба — лансные и планетарные вибромеханизмы с внешней и внутренней об­каткой. Конструкция рабочей части (наконечника) с внутренней обкат­кой приведена на рис. 14.10, в.

Планетарный пневматический вибратор показан на рис. 14.10, г. Он состоит из цилиндрического наконечника, внутри которого смонтиро­ван планетарный возбудитель с внутренней обкаткой. Сжатый воздух поступает к двигателю по внутреннему шлангу. Изменением давления воздуха производится регулирование частоты колебаний. Применение дебалансного бегунка позволяет получать поличастотный режим вибри­рования с частотой до 350 Гц.

Производительность глубинного вибратора можно определить по формуле:

п2ТТ 3600 , ,

п=лЯ Н——кХ (14.29)

м +h

где R — радиус действия вибратора; Н — глубина уплотняемого слоя, равная высоте активной части корпуса вибратора; tt — время вибрирова­ния на одном месте, t= 60-120 с; i2 — время перестановки вибратора; t2 = 5-10 с; kn — коэффициент перекрытия уплотняемой зоны, при пере­становке вибратора в шахматном порядке k = 0,82; ke — коэффициент использования вибратора по времени.

Радиус действия вибратора определяется опытным путем или на основе закона распространения кольцевых волн в среде с вязким сопро­тивлением.

При проектировании ручных глубинных вибраторов следует обра­тить внимание на размещение вибромеханизма в корпусе вибратора. Оно должно быть таким, чтобы обеспечивать равномерную амплитуду колебаний по длине виброэлемента. Вместе с тем рукоять вибратора не должна подвергаться колебательным движениям.

По величине удельного линейного давления катки разделяются на:

— легкие — с удельным давлением менее 400 Н /см, массой 5 га и двигателем мощностью до 20 кВт;

— средние — с удельным линейным давлением 400-600 Н/см, мас­сой 6-10 т и двигателем мощностью 20-30 кВт;

— тяжелые — с удельным линейным давлением свыше 600 Н/ см, массой более 10 да и двигателем мощностью свыше 30 кВт.

Легкие катки применяются для предварительной подкатки основа­ний и покрытий, а также для уплотнения тонкослойного песчаного асфаль­тобетона на тротуарах, велосипедных дорожках и т. п. Средние служат для промежуточного уплотнения оснований и покрытий, а также для окон­чательного уплотнения усовершенствованных покрытий облегченного типа. Тяжелые — для окончательного уплотнения гравийных и щебеноч­ных оснований и асфальтобетонных покрытий. —

По числу и расположению вальцов катки разделяются на: одно — g вальцовые (рис. 14.1, а), одновальцовые с поддерживающими вальцами 3 (рис. 14.1, б) или колесами (рис. 14.1, е); двухвальцовые с одним (рис. §

14.1, г) или двумя ведущими вальцами; трехвальцовые двухосные (рис. з

14.1, д); трехвальцовые двухосные с дополнительным вальцом малого 5 диаметра (рис. 14.1, е); трехвальцовые трехосные с одним (рис. 14.1, ж) ы или тремя (рис. 14.1, з) ведущими вальцами. §

Одновальцовые катки относятся к легкому типу. При отсутствии поддер — н живающих вальцов или колес двигатель и трансмиссия расположены внутри 6 вальца, а рычаги управления вынесены на рукоятку дышла, при помощи которо — ^ го вручную производятся повороты катка. Поддерживающие вальцы или коле — 2 са делают управляемыми; при их помощи и производятся повороты катка. §

д)

г)

б)

Двухвальцовые катки (тандем) имеют вальцы одинаковой ширины и бывают легкого, среднего и тяжелого типов. Наиболее совершенным является каток с двумя ведущими вальцами. В этом случае ведущие вальцы иногда выполняются несколько большего диаметра, чем ведо­мый. Один из вальцов при помощи специального механизма может поворачиваться вокруг вертикальной оси, чем достигаются повороты катка. В связи с поворотами ширина вальцов не может быть выбрана излишне большой иначе на поверхности покрытия появятся дефекты, и обычно ограничивается 1300 мм. Катки этого типа удобны в эксплуатации и поэтому получили большое распространение.

Трехвальцовые двухосные катки выполняются среднего и тяжелого типов. Задние ведущие вальцы имеют диаметр примерно в 1,5 раза больший, чем передний, и через них передается 2/3 веса катка. Поэтому удельное линейное давление здесь в 2 раза большее, чем под передним вальцом. Уплотнение материала производится в основном задними валь­цами, а воздействие переднего, который является направляющим, в рас­
чет не принимается. Задняя ось снабжена дифференциалом, что по­зволяет легко проходить по кривым малого радиуса без повреждения уплотняемого покрытия. Ширина переднего вальца делается такой, что­бы при движении катка его след перекрывался задними. Каток имеет хорошую поперечную устойчивость, и кроме того, такое расположе­ние вальцов способствует удачной компоновке отдельных агрегатов, благодаря чему доступ к ним облегчается. Недостатком катков этого типа является большая сложность в организации работы. Здесь при максимальном количестве проходов весьма трудно обеспечить необ­ходимую и одинаковую плотность слоя по всей ширине дорожного основания или покрытия; обычно количество проходов здесь больше, чем при катках типа тандем. Поэтому эти катки постепенно вытесня­ются катками типа тандем.

Кроме того, существуют катки с дополнительным вальцом малого диаметра для повышения ровности поверхности дорожного покрытия. При наезде этого вальца на неровность она заглаживается ввиду переда­чи через валец значительной части веса катка. В случае необходимости этот валец может быть поднят и выключен из работы. По соображениям компоновки он не может быть выбран достаточно большого диаметра, вследствие чего постановка его часто не достигает цели. Поэтому этот тип катка не нашел распространения.

Трехвальцовые трехосные катки имеют вальцы одинаковой шири­ны и выполняются тяжелого и, реже, среднего типов. Наиболее совер­шенным является каток со всеми ведущими вальцами. Здесь качество работы является наиболее высоким, и поэтому они находят все большее применение.

Катки относятся к числу самых старых и вместе с тем широко распространенных дорожно-строительных машин. Многолетний опыт их эксплуатации позволил выработать технико-эксплуатационные требова­ния к их конструкции:

1) они должны обеспечивать получение необходимой плотности и ровности поверхности;

2) должны быть приспособлены к перевозке на трейлерах;

3) необходимо иметь возможность регулировать вес катка;

4) оператор должен иметь хороший обзор при движении как вперед, так и назад;

5) частота вращения двигателя должна регулироваться во всех ре­жимах работы, а сам двигатель должен быть приспособлен к работе при большой запыленности воздуха и температуре до +50°С;

6) необходимо предусмотреть одинаковое количество скоростей дви­жения катка как вперед, так и назад;

7) необходимо иметь возможность торможения катка с выключен­ным двигателем на уклоне і = 0,25;

8) каток должен быть поворотлив; трогание с места, остановка и реверсирование движения должны быть плавными;

9) усилие на рычагах управления не должно быть более 60 Н.

Поверхность вальцов катков, предназначенных для уплотнения ас­фальтобетона, должна быть высокого качества и во избежание налипа­ния на них асфальтобетонной массы смазываться смесью мазута с керо­сином или с нефтью. Конусность вальцов и разность в их диаметрах допускается не более 3 мм.

Общая конструктивная схема катка и примерная компоновка его агрегатов видны из рис. 14.2. Передний направляющий валец 1 обыч­но делают сдвоенным, что облегчает его поворот в горизонтальной плоскости. На задние вальцы 6 обычно приходится несколько большая нагрузка, чем на передний, поэтому они имеют больший диаметр. Для очистки вальцов от. налипшего материала служат скребки 2 и 5. Валь­цы могут быть литыми из стали либо чугуна либо сварными. По своей конструкции они могут быть цельными или разборными. Для повыше­ния веса катка к дискам разборных вальцов обычно прибалчивают литые чугунные секторы. Передний валец обычно имеет возможность наклоняться в вертикальной плоскости на угол до 30-35°, что достига­ется введением в конструкцию крепления вальца к раме катка 12 ох­ватывающей вилки, которую шарнирно (при помощи пальца) соединя­ют со шкворнем 3. Это позволяет наезжать одной стороной вальца на неровности покрытия.

В качестве двигателя 4 обычно служит дизель, ось которого перпен­дикулярна или параллельна оси катка. Поперечное расположение двига­теля характерно для двухосных двухвальцовых катков.

Трансмиссии катков выполняются механическими или гидро­механическими. Последние могут быть гидростатическими и с турбо­трансформаторами. Наличие турботрансформатора обеспечивает плав­ное реверсирование движения, что способствует получению ровной поверхности и постоянству режима работы двигателя. Кроме того, здесь облегчается управление и сокращается число ступеней в коробке пе­редач 8.

Двигатель обычно снабжают муфтой сцепления 11, что облегчает его запуск, особенно при холодной погоде. Все катки имеют коробку передач 8, реверсивный механизм 9 и бортовые передачи 7. На катках, где двигатель имеет муфту сцепления, реверсивный механизм может устанавливаться как перед коробкой передач, так и за ней. При отсут­ствии муфты сцепления реверсивный механизм устанавливается перед коробкой. Вообще реверсивный механизм предпочтительнее размещать за коробкой передач, так как в этом случае трансмиссия лучше защище­на от перегрузок.

Реверсивный механизм обычно снабжается двумя фрикционными дисковыми муфтами и состоит из конических или цилиндрических шесте­рен. Управление происходит одним рычагом, причем имеются три поло­жения: нейтральное и включение правой или левой муфты.

Бортовая передача предназначена для передачи крутящего момента на ведущие вальцы катка. Наибольшее распространение получили пере­дачи с цилиндрическими шестернями. Крутящий момент от двигателя к коробке передач передается муфтой 10.

Рулевое управление служит для поворотов катка. Для осуществле­ния поворота приводится во вращение шкворень. В результате связан­ный с этим шкворнем валец поворачивается в горизонтальной плоско­сти. Привод рулевого управления может быть ручным, механизирован­ным и гидравлическим. При ручном и механизированном передача вра­щательного движения шкворню от штурвала или привода осуществляется через червячную пару. Иногда в кинематическую цепь дополнительно включается еще коническая пара. При гидравлическом приводе шкво-

рень через насаженный на него рычаг соединяется со штоком гидравлического цилиндра. Выбор привода рулевого механизма зависит от сил, развивающихся при повороте переднего вальца. Если эти силы настолько велики, что, несмот­ря на постановку механизма с большим передаточным отношением, необхо­димое усилие на штурвале все же превышает допустимый предел (50-80 Н), то рулевое управление требуется механизировать.

Силы, действующие на ведомый и ведущий вальцы катка, показаны на рис. 14.3. Воздействие на уплотняемый материал ведомого и ведуще­го вальцов различно.

Рис. 14.3. Силы, действующие на ведомый и ведущий вальцы катка.

(14.1)

На поверхность материала со стороны ведомого вальца действуют вертикальная нагрузка и вес вальца Gг а также передаваемое рамой тол­кающее усилие Тг Эти силы вызывают реакцию грунта, которая может быть разложена на вертикальную Rj и горизонтальную F составляющие. Очевидно, что

G = R. и Т. = F

Реактивная сила F действует на валец со стороны материала. Следовательно, со стороны вальца будет действовать какая-то равная ей и направленная в противоположную сторону сила F которая будет сдви­гать материал, т. е. способствовать волнообразованию. Поэтому ведомый валец не может обеспечить хорошую ровность поверхности.

На ведущий валец действует вертикальная нагрузка и вес вальца G,, крутящий момент М, а также реакция со стороны рамы катка Тт Здесь, как и в предыдущих случаях, реакция грунта может быть разложена на вертикальную R2 и горизонтальную F2 составляющие. Причем

(14.2)

Уплотнение материала происходит под воздействием вертикаль­ных сил G и Gr Ведущий валец отличается от ведомого тем, что здесь

горизонтальная составляющая силы, действующей со стороны вальца на уплотняемый материал (F2), направлена в сторону, обратную движению катка, т. е. воздействует на уже хорошо сопротивляющийся сдвигу уплотненный материал. Поэтому волнообразование перед ведущим валь­цом практически отсутствует. Таким образом, высокая ровность поверх­ности будет соответствовать ведущему вальцу катка, а не ведомому. Вви­ду этого в настоящее время стремятся к исключению из конструкции катков ведомых вальцов. Практика применения катков без ведомых вальцов показывает, что им соответствует высокая ровность поверхнос­ти, в несколько раз превышающая ту, которая имеет место при укатке катками с ведомыми вальцами.

На ровность поверхности оказывает также влияние число вальцов катка, расстояние между ними, их диаметр, а также распределение веса между вальцами. Самая высокая ровность поверхности соответствует трехвальцовым каткам типа тандем, т. е. каткам с последовательным расположением вальцов, особенно если все они являются ведущими. Такие катки обычно называют катками безволновой укатки. Если в кон­струкции имеются ведомые вальцы, то для повышения ровности покры­тия нагрузка на них должна быть меньше, чем на ведущие. Ровность повышается при росте базы катка, т. е. при увеличении расстояния меж­ду осями вальцов, однако при чрезмерно большой базе ввиду повышения радиуса поворота ухудшается маневренность катка.

На рис. 14.4 показано процентное перераспределение веса между вальцами трехвальцового катка при наезде на неровности. Как видно из приведенной схемы, при наезде на неровность нагрузка на валец повыша­ется, что особенно относится к среднему вальцу. Повышение давления способствует устранению этой неровности.

Выше, при рассмотрении процессов укатки грунта, было показано, что вальцы должны выбираться возможно большего диаметра. Это пра­вило относится также и к укатке дорожных покрытий. Чем больше диа­метр вальцов, тем большей может быть выбрана толщина уплотняемого слоя материала и тем меньше глубина колеи, что уменьшает сопротивле­ние движению, а следовательно, и волнообразование. Это правило долж­но особенно распространяться на катки, предназначенные для уплотне­ния щебеночных и гравийных материалов, где толщина уплотняемого слоя — значительна. Верхний предел диаметра вальца ограничен конструк­тивными соображениями.

Во избежание волнообразования первые проходы по еще рыхлому материалу должны производиться на малой скорости (2,0-2,5 км/ч), а
последующие (для повышения производительности) — на более высокой (4-12 км/ч). Такой скоростной режим особенно должен выдерживаться при уплотнении асфальтобетона.

При перемене направления движения образуется неровность, по­этому к устройству реверсов катков, предназначенных для уплотнения асфальтобетона, предъявляются повышенные требования. Реверсивные механизмы должны обеспечивать быстрое, но плавное изменение напра­вления движения катка. Для улучшения ровности поверхности повышают скорости укатки до 8-12 км/ч. Это позволяет удлинить одновременно обрабатываемые участки и тем самым снизить число реверсирований.

30% 30% 40% Рис. 14.4. Схема перераспределения веса трехвальцового катка при наезде на неровности.

Обычно коробкой передач предусматриваются 3 скорости движения катков. При этом по рекомендации В. Н. Анисимова для более полного использования мощности двигателя скорость движения на первой пере­даче должна составлять 25-35% от скорости на последней передаче.

Катки, кроме предназначенных только для уплотнения асфальтобе­тона, должны быть рассчитаны на укатку того материала, который требу­ет затраты наибольшего тягового усилия. Таким материалом является
рыхлый щебень. При этом общее сопротивление движению может быть найдено как

W=-W,+W2+W3, (14.3)

где W’ — сопротивление передвижению катка как тележки с учетом преодоления уклонов,

W=Gjf+i), (14.4)

где Gm — вес машины;

/ — коэффициент сопротивления; і — уклон дороги;

W2 — сопротивление от преодоления сил инерции при трогании с места,

^ 0,5,

где dV — изменение скорости за время dt

W3 — дополнительное сопротивление, развивающееся при движе­нии катка на криволинейных участках.

Величина находится по формуле:

W3 = k, G„ (14.6)

где G — вес катка, приходящийся на направляющие вальцы, в кН; kt — опытный коэффициент сопротивления, в случае рыхлого щебня k = 0,3; для плотной поверхности k = 0,2.

В некоторых случаях на катке устанавливается кирковщик, который служит для рыхления старого щебеночного либо гравийного основания или покрытия. Здесь возникает добавочное сопротивление

= nFk0, (14.7)

где п — число кирок; F — лобовая площадь одной кирки; ko — удельное сопротивление киркованию; k = 15-25 Н/см’.

Необходимая сила тяги катка должна быть

T>W. (14.8)

Необходимо проверить возможность ее реализации по условиям сцепления:

Т > G (р, (14.9)

СЦ ‘сц

где Gc4 — сцепной вес катка, равный весу, приходящемуся на ведущие вальцы; <р — коэффициент сцепления, (рс = 0,5-0,6.

При уплотнении слоя любого материала коэффициент сопротивле­ния движению катка от прохода к проходу непрерывно снижается, а за­тем стабилизируется. Стабилизация коэффициента указывает на то, что деформация слоя материала стала постоянной. Следовательно, стабили­зация указывает на бесполезность дальнейшего процесса укатки. На этом принципе основаны приборы для определения момента окончания укат­ки. Такой прибор показывает, когда дальнейшая укатка становится неэф­фективной, но он никак не определяет достаточности уплотнения. Она может быть установлена лишь непосредственным определением плот­ности материала и сравнением ее с требуемой величиной. Если плот­ность окажется недостаточной, то окончательное уплотнение материала следует произвести уже более тяжелым катком. —

Производительность самоходных катков может быть найдена по формуле:

1000(5 ~a)vcn

п =————————— — , (14.10)

п

где В — ширина укатываемой полосы в м; а — величина перекрытия следа предыдущего прохода, а = 0,20-0,25 м; Vcp — средняя скорость движения катка в км/ч; п — необходимое число проходов катка; при уплотнении асфальтобетона п = 25-30, а при уплотнении щебеночных оснований и покрытий п = 40-60.

Средняя скорость должна определяться с учетом реверсирования, на которое затрачивается 1-2 с.

Рабочими органами катков на пневматических шинах являются колеса, оборудованные шинами с гладким протектором. Для уплотнения оснований и покрытий применяются только самоходные катки, которые обычно устраиваются двухосными. Каждая ось катка несет на себе от 4 до 7 колес. Зазоры между колесами должны быть минимальными и не превышать 0,5В, где В — ширина профиля колеса. Общая масса таких катков обычно находится в пределах от 15 до 35 т. Вес может меняться в зависимости от балласта катка.

Скорости движения катков обычно изменяются в пределах от 3 до 25 км/ч. Расположение колес на осях принимается таким, чтобы при одном проходе катка без пропусков перекрыть всю укатываемую полосу. Для этого продольные оси колес передней и задней оси в плане несколько сдвинуты относительно друг друга, так что колеса второй оси
движутся по полосам, которые оказываются в промежутках между коле­сами первой.

Современные катки позволяют на ходу изменять давление в ши­нах. Для этого они оборудованы системой централизованной подкачки шин, управление которой производится из кабины оператора. Давление в шинах меняется в пределах от 0,25-0,3 до 0,55-0,6 МПа. Возмож­ность изменения давления в шинах делает каток универсальным в смысле использования его на уплотнении различных материалов и, главное, по­зволяет в процессе уплотнения постепенно повышать удельное давле­ние на поверхности, тем самым создавая условия для получения плотно­го, прочного и ровного дорожного покрытия.

Передняя ось катка обычно устраивается управляемой, а задняя не­сет на себе ведущие колеса. Часто ведущими являются не все колеса задней оси, а всего лишь два. Большое значение имеет подвеска колес. Если колеса закреплены на осях так, что их смещения друг относительно друга оказываются невозможными, то при наезде одного колеса даже на незначительное препятствие колесо будет перегружено. В этих случаях шины обычно не выдерживают такой перегрузки и выходят из строя. Поэтому подвеска отдельных колес должна быть независимой. Это тре­бование осуществляется различными способами. Заслуживает внимания применение гидравлической системы подвески, которая обеспечивает по­стоянный контакт всех колес катка с поверхностью.