Машины для уплотнения грунтов оснований и насыпей дорог в США

Особенности работы грунтоуплотняющих машин

Машины для уплотнения грунтов оснований автомобильных дорог должны быть высоко производительны, иметь возможность их использования в стесненных условиях, показывать универсальность уплотнения, иными словами быстро заменять один валец (кулачковый) - другим (вибрационным) и, естественно, снижать стоимость уплотнения грунтов.

Связные грунты насыпей или оснований дорог при оптимальной влажности эффективно уплотняются пневмоколесными и кулачковыми катками и механизмами ударного действия.

Песчаные грунты целесообразно уплотнять вибрационными катками, при этом достигается лучшая упаковка зерен за счет воздействия колебательных движений вибратора. Такие несвязные грунты вибрационные катки уплотняют на большую глубину, чем связные.

Машины и механизмы ударного действия могут применяться независимо от свойств грунтов.

Производительность современных землеройных машин превышает 600 м 3/ч. Поэтому необходимо увеличивать производительность уплотняющих машин за счет увеличения их количества.

Увеличить производительность уплотняющих машин можно также увеличением скорости их движения, толщины уплотняемого слоя и ширины уплотняемой полосы.

Если увеличивать толщину уплотняемого слоя грунта и ширину уплотняемой полосы, это потребует повышения массы машины, что вызовет необходимость увеличения мощности двигателя уплотняющей машины.

Ширина уплотняемой полосы, установленная строительной практикой стран Европы и США, не превышает 2,5-3 м.

Характеристики и возможности грунтоуплотняющих машин

Грунты насыпей и оснований дорог уплотняют пневмоколесными и кулачковыми катками массой до 25 т, а также машинами вибрационного действия массой от 4 до 12 т. Могут также применяться решетчатые катки и катки с уплотняющими башмаками массой более 45 т. Во многих странах Европы и СНГ применяют катки с гладкими металлическими вальцами массой 12-18 т, которые используют и для уплотнения связных грунтов. Рассмотрим подробнее достоинства грунтоуплотняющих машин разных типов.

Катки с гладкими металлическими вальцами

Такие катки обеспечивают уплотнение грунта только за счет давления и имеют явные недостатки, особенно при уплотнении насыпей дорог. В настоящее время большинство катков статического типа применяются исключительно при поверхностном уплотнении и окончательной отделке асфальтобетонного слоя основания или покрытия дорожной одежды.

Катки статического типа не могут производительно работать при глубине слоев более 10 см, так как их действие полностью зависит от линейных нагрузок, влияние которых ограничивается верхней частью уплотняемого слоя без глубокого проникания в уплотняемый материал. Поэтому катки такого типа не обеспечивают равномерного уплотнения слоя грунта на глубину.

Вибрационные катки

В следующий класс уплотняющих машин входят виброкатки, которые могут быть либо прицепными, либо самоходными. Наиболее подходящими материалами для уплотнения такими катками являются каменистые и гранулированные грунты, которые благодаря эксплуатационным характеристикам виброкатков могут уплотняться глубокими слоями, в некоторых случаях до 1 м толщиной.

Вибрационное уплотнение, в том числе и несвязных грунтов с содержанием глинистых частиц не более 4-5%, получило широкое распространение во всех странах Европы и США. В результате вибрации в песчаных грунтах нарушается связь между зернами и происходит более плотная упаковка зерен песчаных грунтов.

Эффективность виброуплотнения зависит от амплитуды, частоты и продолжительности вибрирования. Каждому размеру грунтовых частиц соответствует определенная частота колебаний, способствующая оптимальному уплотнению. Чем мельче частицы грунта, тем большая частота воздействия необходима. Грунт состоит из частиц различных размеров, поэтому целесообразно разночастотное вибрирование. Частота колебаний связана с удельным статическим давлением вибратора: с уменьшением давления частота вибрации должна возрастать. Например, при удельном давлении р = 40-100 МПа/м 2 частота вибрации составляет 1200-900 мин -1 - при давлении р = 40-100 МПа/м 2, частота 2000-1200 мин -1.

При современных виброкатках с диаметром вальцов до 2 м, статической массой до 4 т и оптимальных параметрах вибрации в песчаных и супесчаных грунтах глубина уплотняемого вибратором (виброкатком) слоя является в пределах 0,4-0,5 м. Для виброкатков массой 8 т глубина уплотняемого слоя грунта составляет 0,75-0,8 м, для катков массой 12 т глубина слоя уплотнения - 1-1,2 м.

Для обеспечения эффективности работы виброкатка большое значение имеет его скорость, поскольку она определяет время между частотой ударов и соприкосновением вибромеханизма с уплотняемым материалом. Как правило, наилучшие результаты уплотнения грунтов обеспечиваются при скорости катков 3-5 км/ч. Учитывая данное ограничение скоростей при уплотнении слоев дорожного основания и подстилающего слоя, виброкатки более выгодно применять на подъездных и боковых дорогах в границах основного участка или вокруг сооружений, где насыпной грунт выгружается самосвалами и разравнивается грейдерами и бульдозерами. Естественно, работа при этом замедленна, по сравнению с работой со скреперами, где решающее значение имеет скорость движения, учитывая высокие капитальные затраты на оборудование. Для скреперов обычна скорость в 12 км/ч, и для работы в паре с ними предпочтение следует отдавать таким уплотняющим машинам, как самоходный трамбовщик модели С450 фирма "Hyster Company" (США).

В последние годы значение самоходных виброкатков возросло, по сравнению о прицепными машинами, поскольку у самоходных катков имеется ряд важных преимуществ. Они малогабаритны и не нуждаются в тягаче, поэтому более маневренны на стройплощадке, могут поворачиваться в пределах малых радиусов и двигаться между технологическими и другими машинами со значительно большей легкостью и безопасностью, чем прицепная машина. Самоходные виброкатки имеют также большую производительность работы, меньшие затраты времени на развороты и простои из-за того, что тягачи требуются для других работ на стройплощадке. Однако следует учесть, что на некоторых грунтах могут возникать трудности при использовании самоходных машин, поэтому на этих участках дорог предпочтение все-таки будет отдаваться каткам с тягачами. Разработки последних лет, проводимые ведущими машиностроительными фирмами США, предусматривают введение барабанного привода, который в значительной мере решит проблемы. связанные с тягой.

Как уже указывалось выше, виброкатки обычно применяются на гранулированных грунтах, хотя введение трамбующих выступов позволяет применять их на гранулированных грунтах с большим количеством мелких частиц.

Рекомендуется использовать катки с гладкими вальцами на грунтах с 10%-ным содержанием связного грунта. Такие катки - с кулачками на вальцах - обычно работают в паре с тягачом, а не на собственном ходу, поскольку использование трамбующих выступов на самоходных катках влечет за собой увеличение сопротивления качению и, следовательно, требует установки более мощных двигателей. В таких случаях применение на самоходных катках барабанного привода становится оправданным и необходимым.

Опыты в США, Франции, Италии с тяжелыми моделями виброкатков подтвердили возможность их надежной работы и на скоростях 15-16 км/ч, но при этом ощутимо снижается глубина уплотнения грунта.

Производительность современных комбинированных вибрационных катков достигает 500-600 м 3/ч.

В последние годы в США и странах Европы все чаще применяют кулачковые виброкатки со специальным эвольвентным профилем кулачка.

Масса таких катков достигает 35-40 т, мощность двигателя составляет 220-294 кВт. Они используются для уплотнения легких малосвязных грунтов слоями до 0,6 м.

Катки на пневматическом ходу

Такие катки в основном предназначены для уплотнения тонких асфальтобетонных слоев основания или покрытия дороги, но в ряде стран Европы, например, во Франции, их используют для уплотнения оснований дорожных одежд и земляного полотна.

Однако растущий интерес во многих странах к виброкаткам привел к менее широкому применению машин на пневмоходу. Все дело в том, что при уплотнении насыпей грунт, как правило, хуже поддается уплотнению, чем материал дорожного покрытия, кроме того, насыпь отсыпают более толстыми слоями. Для обеспечения требуемой степени уплотнения насыпи приходится применять очень мощные катки на пневматическом ходу с высокой нагрузкой на колеса. Масса таких машин часто превышает 35 тонн. Такие машины в настоящее время делают самоходными, поскольку крупные прицепные механизмы были бы неманевренны и имели бы тенденцию к превышению нагрузки на уплотняемый материал.

Другой проблемой в связи с применением самоходных катков на резиновом ходу является то, что передвижение по основанию дорожной одежды иногда затруднено. Поскольку катки на пневматических шинах осуществляют свою функцию в основном за счет давления и перемешивания, они могут применяться на полулипких грунтах, таких, как илистый песок, равно как и на галечнике. Чаще всего машины на пневматическом ходу применяются для уплотнения оснований дорожных одежд там, где стройплощадка относительно невелика, и один и тот же каток будет впоследствии применяться и для работы при устройстве асфальтобетонных слоев оснований и покрытий дороги.

Кулачковые катки

Они пригодны для уплотнения всех грунтов, но особенно эффективны при уплотнении связных материалов. Контакт с грунтом происходит на малой площади, что обеспечивает большое удельное давление. При первых проходах кулачки погружаются в грунт на значительную глубину. По мере возрастания плотности грунта, глубина погружения кулачков уменьшается, чем обеспечивается равномерное уплотнение слоя по толщине. Производительность самоходных кулачковых катков в 2-3 раза выше, чем у прицепных, из-за большей скорости уплотнения материала.

Параметры применяющихся на строительстве дорог кулачковых катков (масса машин до 30 т, длина кулачка не более 0,3 м, опорная поверхность кулачка не более 50 см 2, толщина уплотняемого слоя до 0,3 м) - являются оптимальными, поэтому у катков этого класса нет резервов повышения толщины уплотняемого слоя.

Решетчатые катки, катки с уплотняющими башмаками

Такие машины применяются в основном для уплотнения глинистых и крупнообломочных скальных грунтов. Скорость передвижения машин более 20 км/ч, толщина уплотняемого слоя грунта составляет 0,3-0,35 м. При диаметре вальцов решетчатых катков 2,5-2,6 м производительность их достигает 2,5-3 тыс. м 3/смену при толщине уплотняемого слоя грунта до 0,75 м.

Метод ударного уплотнением грунтов

Такой метод считается наиболее универсальным. Уплотнение слоев грунта происходит за счет кинетической энергии падающего груза. Для данного метода характерно краткое воздействие и большая глубина распространения напряженно деформированного состояния. Импульс силы равен изменению количества движения. Это позволяет рассчитать массу, высоту сбрасывания, число ударов трамбовки и толщину уплотняемого слоя грунта. Глубина уплотнения значительно увеличивается с повышением массы трамбовки и высоты ее падения.

Применение ударного метода экономически целесообразно, когда необходимо уплотнять толстые слои тяжелых глинистых грунтов (до 1,5 м), в том числе крупнообломочных горных пород и грунтов естественного залегания, грунтов с пониженной влажностью.

Наиболее эффективны с конструктивной и экономической точек зрения виброударные машины. производительность работы которых достигает 3 тыс. м 3/смену при глубине уплотнения слоев грунта до 1 м.

Машины и механизмы фирмы "Hyster Company"

Фирма "Hyster Company" (США) производит два самоходных уплотнителя-трамбовщика. Уплотнитель модели С 440А, который при полной загрузке имеет рабочую массу около 20 т. Машина приводится в действие от двигателя марки Детройт Дизель и имеет гидрообменную передачу на оба вальца. На уплотнитель может устанавливаться бульдозерный отвал шириной З м, и он имеет производительность по уплотнению более 1000 м 3/ч.

Уплотнитель модели С 450 имеет рабочую массу около 26 т и сконструирован подобно машине типа С 440. Каждый валец этого уплотнителя приводится в движение автономным дизелем через отдельную коробку передач. Производительность работы такой машины составляет свыше 1500 м 3/ч. Обе модели катков могут также применяться для уплотнения твердых отходов, в этом случае они имеют обозначение С 441A и С 451B.

Модели катков С 440А и С 450В имеют уникальную двухбарабанную конструкцию и отличаются от четырехбарабанных машин тем, что уплотняют на всю требуемую ширину слой отсыпаемого грунта два раза за каждый проход. Шарнирное соединение в центральной точке шасси машины позволяет каждой половине колебаться и воздействовать на мягкие участки уплотняемого материала.

Модели С 610 и С 620В представляют собой самоходные вибрационные катки, рассчитанные в основном на уплотнение гранулированных и полувязких подстилающих материалов.

Машины фирмы "Hyster Company" уникальны в том плане, что на них применяется одна широкая ведущая шина низкого давления, что обеспечивает максимальную плавучесть и силу сцепления даже на самых тяжелых грунтах. Этим также достигается исключительная маневренность машины при повороте: радиус поворота составляет всего лишь 450 мм. Конструктивным достоинством катка является гидрообъемная коробка передач, обеспечивающая легкость в управлении машиной и неограниченный выбор скоростей до 14,5 км/ч. Основная масса машин составляет 6,5 т, однако благодаря большой амплитуде барабана и, соответственно, большим силам вибрации, они могут обеспечить усилия, которые обычно развивают значительно более тяжелые 15-тонные машины статического типа. Разница между моделями катков 610 и 620 заключается в основном в ширине барабана: в модели С 610В она составляет 1,8 м и 2,13 м - в модели катка С 620.

Модели катков 615 и 625В представляют собой самоходные виброуплотнители, применяемые для уплотнения асфальтобетонных смесей или гранулированных подстилающих материалов. Принципиальная конструкция катков та же, что и моделей 610 и 620, однако здесь имеются усовершенствования, такие, как регулируемая амплитуда, привод барабана, системы водоразбрызгивания и эксцентричный вал двухстороннего вращения, благодаря которым можно успешно уплотнять все виды асфальтобетонных смесей.

Модель С 200В - эта прицепной виброкаток с гладкими барабанами массой 3,6 т. Такой каток особенно приспособлен для уплотнения гранулированных грунтов и имеет шестеренчатую бортовую передачу уникальной конструкции, запатентованную фирмой "Hyster Company". В отличие от до сих пор применяемых конкурентами этой фирмы ременных или цепных передач, которые непрерывно нуждаются в регулировке или замене, шестеренчатая передача фирмы "Hyster Company" не имеет этого недостатка благодаря наличию гибкой муфты, которая компенсирует движение барабана.

Модель катка С 210А в основном аналогична модели С 200, но она имеет трамбовочные выступы для уплотнения полувязких и гранулированных грунтов. Масса машины составляет 4,5 т.

Каток модели D с сетчатыми барабанами представляет собой оригинальную конструкцию фирмы "Hyster Company", в которой барабаны имеют рисунок переплетенных сеток для раздробления и уплотнения скалистых и гранулированных грунтов. При полном балласте общая масса машины составляет 13,7 т.

Трамбующий каток модели D имеет общую массу 15,8 т и применяется в основном для уплотнения полувязких грунтов.

Модель С 530А - это уплотнитель на резиновом ходу, который может принимать балласт до общей массы 15 т, и в основном применяется для уплотнения асфальтобетонных смесей и гранулированных материалов при толщине слоя до 150 мм.

Фирма "Hyster Company" разработала еще два катка. Это катки статического действия со стальными вальцами. Модель С350В, рассчитанная на эксплуатацию машины при массе от 8 до 14 т, и более легкая модель С 340, рассчитанная на работу при массе катка от 5 до 10 т. Обе модели имеют гидрообъемные коробки передач и применяются, как правило, при окончательном уплотнении асфальтобетонных слоев покрытий дорог.

Эксплуатационная таблица наглядно показывает, как подбирать уплотнительное оборудование и машины фирмы "Hyster Company" при различных типах дорожно-строительных материалов.

Фирма "Hyster Company" также производит лебедки, которые можно устанавливать на тракторах всех основных конструкций. Такие лебедки могут применяться при лесных работах, расчистке участков леса при прокладке дорог, на строительстве нефте- и газопроводов, скоростных и магистральных дорог и дамб, натяжении воздушных электролиний, спасательных работах, прокладке подземных кабелей. Лебедки рассчитаны на натяжение каната от 18 000 кг (модель D4F) до максимальной проектной величины 55 000 кг (модель W12E).

Основным достоинством современных лебедок этой фирмы является то, что вся гидравлическая система, включая фильтры насосов и регулирующие клапаны, размещена внутри корпуса лебедки для облегчения установки и надежности в эксплуатации.

Фирма "Hyster Company" также производит краны для эксплуатации на пересеченной местности, имеющие привод на четыре колеса, управление на каждое из четырех колес, управление грейфером, телескопическую выдвижную стрелу, двухскоростные лебедки, полновыдвижные опоры и простую систему управления, сконструированную с учетом эргономических требований. Всего имеется 5 моделей кранов от самого легкого, рассчитанного на 10 т и на опрокидывание при 85% нагрузке, до самого тяжелого грузоподъемностью 20 т.

Евгений МАРГАЙЛИК, инженер и патентовед ВОИР