При строительстве и капитальном ремонте автомобильных дорог уплотнение грунта играет важнейшую роль. Способность готового объекта транспортной инфраструктуры сохранять свою прочность и эксплуатационные качества в течение всего срока службы напрямую зависит от качества проведения работ по уплотнению грунтов и дорожно-строительных материалов.

При некачественно выполненном уплотнении на стадии строительства расходы на ремонт в процессе эксплуатации объекта превышают первоначальные расходы на его сооружение.

В последнее время наиболее перспективным методом уплотнения дорожно-строительных материалов и грунтов является вибрационный метод. Это довольно сложный процесс, на который могут оказывать влияние более 30-ти внешних факторов. Кроме того конструкция катка, а также его режимные параметры непосредственно влияет на динамику процесса и эффективность уплотнения. В отличие от статического уплотнения, при вибрационном уплотнении достигается более высокая степень уплотнения и больший глубинный эффект, а требуемый коэффициент уплотнения достигается за меньшее число проходов. При этом грунт может уплотняться неравномерно по глубине. Путем изменения рабочих параметров можно изменять глубину зоны максимального уплотнения, однако определенная неравномерность коэффициента уплотнения по глубине будет присутствовать. Для уплотнения связных глинистых грунтов применяются вальцы с кулачками прямоугольной или овальной формы, что позволяет увеличить глубину «прорабатываемого» слоя грунта.

При вибрационном уплотнении помимо формы рабочей поверхности уплотняющих средств на эффективность процесса большое влияние оказывают режимные параметры катка (скорость движения, частота, амплитуда, вынуждающая сила). Используя наиболее подходящие режимные параметры катка на различных этапах уплотнения дорожно-строительных материалов, можно повысить эффективность процесса.[2, с. 35]

В работе рассматривается вопрос снижения энергоемкости уплотнения грунтов и повышения эффективности работы кулачкового вибрационного катка за счет возможности изменения момента крутильных и круговых колебаний при одной и той же частоте вращения дебалансных валов вальца[3].

Устройство перспективной конструкции кулачкового вальца вибрационного катка разработки изображено на рис. 1-3.

Рисунок 1. Продольное сечение кулачкового вальца

1 – гидромотор; 3 – обод; 4 – кулачки; 8 – гидромотор

Рисунок 2. Сечение Б-Б

6, 7 – дебалансные валы

Рисунок 3. Сечение А-А

2 – редуктор; 5 – поперечные ребра; 6 – дебалансные валы; 9 – зубчатая передача

Во время рабочего хода катка гидромотор 8 через зубчатую передачу 9 приводит во вращение дебалансные валы 7 и 6, которые состоят из эксцентриков 10, выполненных заодно с валами, и подвижных эксцентриков 11 (рис. 4). При этом ввиду того, что эксцентриковые массы валов 6 смещены на 180⁰, на валец передаются крутильные колебания (осцилляции) и круговые колебания (от вала 7). Вращение вала 7 происходит в противоположном направлении. С учетом смещения дебаланса вала 7 на 120 град по отношению к дебалансным валам 6, на валец передаются вертикальные колебания.

Рисунок 4. Подвижные и неподвижные эксцентрики дебалансных валов

10 – неподвижный эксцентрик; 11 – подвижный эксцентрик

При изменении направления вращения валов 6, 7 изменяется эксцентриситет масс дебалансных валов r, что ведет к изменению момента вращения и, как следствие, к изменению вынуждающей силы дебалансных валов, создающих крутильные и круговые колебания вальца. Таким образом, можно устанавливать две величины момента крутильных и круговых колебаний: высокую – при уплотнении толстых слоев или низкую – при уплотнении тонких слоев грунта. Эта конструктивная особенность позволяет существенно расширить границы применения предлагаемого кулачкового вальца вибрационного катка.

Такая конструкция позволяет, меняя направление вращения дебалансных валов, изменять величину крутильных и круговых колебаний вибровозбудителя в процессе уплотнения грунтов.

При вращении дебалансные валы создают колебания, которые через валец передаются на уплотняемый грунт, тем самым снижая его внутреннее трение и сцепление между его частицами, что уменьшает сопротивление грунта уплотнению.

Предложенная конструкция кулачкового вальца катка проявляет в себе положительные качества осцилляторных и вибрационных катков (совместное действие крутильных и круговых колебаний). Указанные качества способствуют повышению производительности кулачкового катка за счет уменьшения количества проходов, требуемых для достижения нормативной плотности.

Известно, что свойства асфальтобетонной смеси очень зависят от ее температуры. При уплотнении сопротивление деформированию увеличивается как за счет увеличения плотности, так и за счет охлаждения. Это объясняет важность проведения работ по уплотнению в благоприятных температурных условиях, при которых материал обладает минимальным сопротивлением деформированию.

Слой горячей асфальтобетонной смеси, уложенный на основание, будет остывать как за счет теплообмена с нижним слоем, основанием или окружающим его воздухом, так и за счет взаимодействия поверхности слоя смеси с вальцом дорожного катка. Особенно интенсивно это происходит в условиях низких температур окружающего воздуха. Исследователями [1] рекомендуется ограничивать взаимодействие поверхности уплотняемого асфальтобетонного покрытия с холодными металлическими вальцами катков, проводить их предварительный прогрев или осуществлять уплотнение катками на пневматических шинах.

С целью обеспечения качества и снижения энергоемкости процесса уплотнения автором предложена перспективная конструкция системы обогрева металлического вальца дорожного катка (на примере RV-11,0 DS).

В результате поиска и анализа существующих конструкций катков с подогревом вальца, выяснилось, что исследователями предпринимались попытки обогрева вальцов катка выхлопными газами от ДВС [2].

Основным недостатком предложенной конструкции является невозможность изменения температуры вальца для оптимального уплотнения асфальтобетонной смеси, что имеет большое значение при уплотнении слоев асфальтобетонной смеси различной толщины.

Автором предложена конструкция вальца с подогревом, позволяющая изменять температуру самого вальца при уплотнении различных дорожно-строительных материалов.

Задачей разработки является повышение эффективности работы дорожных катков и снижение энергоемкости уплотнения дорожно-строительных материалов за счет увеличения количества требуемых проходов по одному следу. Обогрев вальца осуществляется гибким нагревательным кабелем (например, Deviflex DTIE-10), который закрепляется по внутренней поверхности обечайки вальца с помощью крепёжных скоб (рис. 1).

Рисунок 1. Крепление нагревательного кабеля к обечайке вальца

Для правильного выбора системы обогрева была определена установочная мощность, исходя из требований, предъявляемых к монтажу, с учетом влияния особенностей климата и применяемой системе контроля.

Площадь обогрева составляет 6 м² с учетом расположенных механизмов внутри самого вальца. Кабельная система обогрева, которая будет использоваться для обогрева вальца и является основным источником тепла, должна иметь мощность 300-400 Вт / кв.м. Расчетная мощность составляет 2,5 кВт при длине кабеля 83 м. Шаг укладки кабеля составляет 0,07 м. Данные получены по результатам тепло-физического расчета системы обогрева.

Свежеуложенная горячая асфальтобетонная смесь в результате теплообмена с основанием и окружающим воздухом будет остывать, при этом ее температура по толщине будет различной и непостоянной по времени. Это будет зависеть от различных причин и факторов, таких как температура укладки и уплотнения смеси, наличия и скорости ветра, температуры окружающего воздуха, толщины укладываемого слоя и др.

По известной методике [1] были проведены исследования по изучению интенсивности остывания смеси при взаимодействии с рабочими органами катков. Были рассмотрены различные скорости движения катка (2, 3, 4, 5 км/ч), различные температуры поверхности вальца (70, 100 ⁰С), а так же различные толщины уплотняемого слоя асфальтобетонной смеси (5, 7, 9, 11 см).

Критической температурой слоя асфальтобетонной смеси будем считать температуру поверхности, в связи с тем, что она непосредственно контактирует с рабочими органами уплотняющей техники, ее проще измерять и контролировать.

Результаты исследований были представлены в виде зависимостей температуры асфальтобетонной смеси от времени при различных исходных данных, где синей линией изображена интенсивность остывания смеси при её уплотнении базовым катком, а красной линией – модернизированным (рис. 2 – 5).

Рисунок 2. Интенсивность остывания асфальтобетонной смеси толщиной 5 см при

соприкосновение вальца с постоянной температурой: а) 70⁰С; б) 100⁰С

Рисунок 3. Интенсивность остывания асфальтобетонной смеси толщиной 7 см при

соприкосновение вальца с постоянной температурой: а) 70⁰С; б) 100⁰С

Рисунок 4. Интенсивность остывания асфальтобетонной смеси толщиной 9 см при

соприкосновение вальца с постоянной температурой: а) 70⁰С; б) 100⁰С

Рисунок 5. Интенсивность остывания асфальтобетонной смеси толщиной 11 см при соприкосновение вальца с постоянной температурой: а) 70⁰С; б) 100⁰С

Анализируя полученные зависимости (рис. 2 – 5), можно сделать вывод, что при уплотнении асфальтобетонной смеси с большей толщиной слоя интенсивность её остывания снижается. Кроме того, с увеличением температуры вальца интенсивность остывания снижается, что позволяет осуществить большее число проходов катка по одному следу до того момента, пока температура смеси не снизится ниже критического значения (85 ⁰С). Таким образом, появляется возможность достижения более высокого значения коэффициента уплотнения асфальтобетонной смеси. Это приобретает особую актуальность при строительстве асфальтобетонных покрытий в неблагоприятных условиях осенне-летнего периода времени.