Технологическое регулирование силового воздействия виброкатка необходимо дорожнику для настройки его перед началом (чаще всего) или в процессе выполнения (реже) асфальтобетонных работ на объекте на основе заложенных создателем катка в его конструкцию принципов и пределов изменения параметров. Такая настройка должна быть сообразной типу, толщине слоя и начальному состоянию смеси.

В соответствии с (1) и (3) интересующие дорожника возможности изменять R_o и p_kd могут быть реализованы по одному из двух условных направлений или принципов. Во-первых, путем варьирования весовой нагрузки вальца Q_в в большую или меньшую сторону при заранее заданном и неизменном коэффициенте динамичности K_d катка. Во-вторых, за счет динамической составляющей R_d общего усилия R_o путем изменения K_d при заданном и постоянном Q_в. Что лучше или хуже для целей уплотнения, пока ответа на этот вопрос никто не дал.

Фирмы-разработчики в конструкции своих виброкатков первый способ не закладывают, и дорожник лишен возможности воспользоваться им на практике. Правда некоторые из них (Marini и др.) с помощью такого приема создают новые образцы своей продукции на базе других уже выпускаемых моделей.

На подавляющем же большинстве современных виброкатков используется второй способ регулирования, т. е. изменения K_d путем варьирования амплитуды A_∞, частоты f или ω (круговая частота) и, соответственно, центробежной силы P_o, что, в конечном итоге, сводится к регулированию R_o и p_kd за счет показателей τ и W/g.

Для оценки возможностей и особенностей второго способа в табл. 2 приведены варианты и относительные результаты регулирования силового воздействия виброкатка при изменении основных параметров вибрации (Q_кол, A_∞, f или ω).

Во всех семи вариантах (первый является базовым для сравнения) общий вес катка Q, весовая нагрузка вальца Q_в, центробежная сила P_o и статический показатель p_kc приняты постоянными. Параметры Q_кол и A_∞ для наглядности изменялись в два раза в меньшую и большую сторону, а f или ω варьировались так, чтобы выполнялось условие P_o = const.

Результаты табл. 2 свидетельствуют, что все манипуляции с Q_кол, A_∞ и f при принятых условиях не дают существенного увеличения или уменьшения K_d, R_o, p_kd и σ_o (отклонение от базового не более 6–17%). Главные изменения в большую или меньшую сторону происходят с временем Θ, т. е. с длительностью действия сил R_o и давлений σ_o – до 1,5 раз по сравнению с базовым вариантом и до 2 – 2,3 раз между максимальным и минимальным значением вариантов.

Соответственно и аналогично времени изменяются величины импульсов сил и давлений (до 1,8 – 2,0 раз), что конечно же не может не отразиться на увеличении или снижении деформации уплотняемого материала и на его конечной плотности.

Наибольшую продолжительность по времени действия импульса дает вариант 2 с двукратно увеличенной амплитудой и соответственно сниженной частотой колебаний. В этом плане он даже выгоднее варианта 7, в котором вместо амплитуды двукратно увеличен вес колеблющегося вальца. По сравнению с базовым вариантом величина импульса напряжения в варианте 2 увеличена в 1,42 раза (вариант 7 – в 1,13 раза) при росте времени его действия в 1,48 раза (вариант 7 – в 1,17 раза). Объясняется этом тем, что с увеличением Q_кол при Q_o = const. меняется также отношение Q_пр/Q_кол, влияющее в свою очередь на количественную и качественную сторону динамического воздействия, а при варьировании A_∞ дополнительно ничего не изменяется.

Можно считать вариант 2 наиболее подходящим для эффективного уплотнения толстых слоев асфальтобетона. Для тонких слоев лучше вариант 3 (двукратно уменьшенная амплитуда с высокой частотой), имеющий более приемлемые количественную и качественную характеристики воздействия вальца. Несмотря на одинаковые с другими вариантами центробежную силу P_o и вальцовую весовую нагрузку Q_в величина импульса в варианте 3 уменьшена, по сравнению с базовым вариантом 1, в 1,4 раза, а время его действия более чем в 1,5 раза. При сравнении с вариантом 2 эти показатели снижены еще существеннее – в 2 – 2,3 раза. Такова качественная специфика высокочастотного низкоамплитудного воздействия виброкатка, трансформирующего динамический характер нагружения и внутреннее напряженное и деформативное состояние уплотняемого материала (см. рис. 5).

Рис. 7. Зависимость коэффициента динамичности виброкатков (из табл. 3) от комплексного показателя трех параметров (τ, W/g, α) на различных стадиях уплотнения (a).

Кстати, в этой связи не бесполезным и, видимо, своевременным будет предостережение от чрезмерного «увлечения» высокочастотной вибрацией, главным аргументом перехода на которую считается возможность увеличить рабочую скорость катка и таким образом заметно повысить его производительность. Повышать производительность полезно и нужно, а вот скорость катка и частоту приложения циклов нагрузок или колебаний вальца полезнее понижать по мере уплотнения асфальтобетонной смеси из-за проявления и усиления ее реологических свойств. Целесообразно с ростом плотности и снижением температуры смеси время действия уплотняющих усилий увеличивать. Высокая частота колебаний вальца хороша не везде и не всегда, особенно на средних и толстых слоях, на которых может пострадать качество уплотнения и прочность покрытия.

И еще практический вывод из табл. 2. В соответствии с законами физики и механики изменение одного из параметров виброкатка вызывает обязательное изменение других. Регулирование количественного значения уплотняющего динамического воздействия тем или иным способом одновременно влечет за собой качественные (острота, характер) изменения воздействия в лучшую или худшую сторону. Об этом не следует забывать и надлежит учитывать как фирме-разработчику виброкатка, так и дорожнику, его эксплуатирующему.

В табл. 3 приведены паспортные и расчетные значения функциональных параметров, определяющих и позволяющих оценить уплотняющую способность случайно взятых 15 виброкатков фирм Dynapac и Hamm, в том числе тех, которые уже сняты с производства, но еще эксплуатируемых у дорожников. По этим данным можно получить также представление об эволюции и принципах поиска эффективных и совершенствования основных параметров виброкатков, создаваемых этими фирмами.

Найденные по приведенным зависимостям коэффициенты динамичности K_d (только для слабого режима вибрации) всех катков представлены на графике рис. 7, а общая сила воздействия вибровальца R_o и динамический показатель уплотняющей способности p_kd даны в табл. 3.

Как уже отмечалось, значения K_d зависят от четырех параметров – τ, W/g, α и «a», причем рост одного из них (α = Q_пр/Q_кол) понижает K_d, а рост остальных – повышает. Поэтому графическая зависимость K_d дана от комплексного показателя из этих четырех параметров, показанного на рис.7. Эта зависимость на всех стадиях уплотнения оказалась прямолинейной, причем все точки разных по размерам и параметрам виброкатков, в том числе Caterpillar (Сat) и Jngersoll-Rand (I-R), очень кучно друг к другу (высокий коэффициент корреляции) и видимо вполне закономерно сгруппировались вокруг прямых. Это вселяет уверенность в правильности предложенных подходов и зависимостей.

Данные графика свидетельствуют о достаточно широком диапазоне значений K_d реальных виброкатков на каждой из стадий укатки – от 1,3…1,4 до 2,2…2,3 (начальная, a = 1,1) и от 1,7 до 3,5…3,6 (заключительная). Это наводит на предположение о произвольности и об отсутствии единых принципов и правил выбора или назначения тех параметров, от которых зависит K_d, и которые определяют уплотняющую способность виброкатка. Видимо каждая фирма делает это по-своему, руководствуясь только ей известными соображениями и канонами.

Достаточно большой вклад в изменение значений K_d вносит сам материал, его прочность и жесткость, что хорошо иллюстрируют три прямых относящихся к разным стадиям уплотнениям. У каждого катка отличие K_d между стадиями может доходить до 1,5 – 1,6 раза. Поэтому обязательному учету подлежит состояние асфальтобетонной смеси по плотности и температуре на всех стадиях, а особенно на начальной, задающее сначала стартовые значения статических Q_в и p_kc и затем вместе с K_d по (3) и (5) последующие значения динамических R_o и p_kd.

Относительно высокие значения Q_в и P_o у ряда виброкатков, в том числе в режиме сильной вибрации, на первый взгляд кажутся достаточно опасными и вредными для уплотнения. Однако их общие силовые воздействия R_o (по табл. 3), как правило, оказываются меньше суммы Q_в и P_o по концепциям Dynapac, Hamm и Sakai. К примеру, сила R_o по расчетам фирмы-создателя катков СС422 и С422HF должна быть равна соответственно 11,6 и 12,4 тс, что на 35 и 41% больше, чем в табл. 3. Еще большее превышение (63, 55 и 53%) наблюдается у катков НД85, НД100 и НД110. Это один из «секретов» функциональных особенностей виброкатков, объясняющих более или менее нивелируемые и порой близкие результаты уплотнения асфальтобетона разными их образцами, несмотря на ощутимые различия в Q_в и P_o.

Уплотняющее воздействие представленных в табл. 3 катков создается тремя режимами их работы – статическим, динамическим со слабой вибрацией и динамическим с сильной вибрацией. Статический режим не регулируется, а для динамического дискретно задаются два значения центробежной силы P_o путем установки одной из двух амплитуд колебаний вальца, отличающихся друг от друга примерно в 2 раза. Каждой амплитуде соответствует своя частота колебаний вальца – низкая для большей амплитуды и более высокая для малой амплитуды. Конечно, такой ограниченный набор режимов или силовых воздействий явно недостаточен для асфальтобетонной технологии.

Несколько лучшие возможности предоставляют дорожнику виброкатки фирм Cat и I-R. Первая из них создала образцы с тремя режимами динамического нагружения, каждому из которых соответствует своя амплитуда колебаний с одной, но не очень высокой частотой – 42 или 48 Гц. Вторая фирма выпускает как обычные образцы виброкатков (ДД70, ДД90, ДД110), так и на их базе сравнительно новые аналоги (ДД70HF, ДД90HF, ДД110HF), имеющие восемь значений уменьшенных амплитуд (от 0,16 до 0,55 мм) и для каждой амплитуды два значения частоты, одна из которых высокая (до 64–67 Гц).

Все это вместе, помимо статического режима, позволяет создавать еще 16 динамических режимов нагружения. Правда, шаг регулирования амплитуд принят слишком мелким (0,01–0,04 мм), что видимо не совсем удачно и нужно дорожной технологии. Лучше бы шаг был крупнее (0,08–0,10 мм), а количество динамических режимов меньше (не более 5–6). К этому следует добавить, что, например, каток ДД90HF на высокой частоте (67 Гц) с амплитудой 0,39 мм становится излишне динамичным (см. рис. 7). Подобная повышенная динамичность присуща также виброкаткам СС222 и СС232 фирмы Dynapac, что обусловлено высокой частотой (70 Гц) у обоих образцов, излишним ускорением (6g/8,2g) колебаний вальца у СС222, малым отношением Q_пр/Q_кол (1,62) у СС232.

Обращает на себя внимание также неизменность у каждого катка и своеобразный «разнобой» среди всех представленных образцов значений статического контактного давления p_kc – от 1,65 (НД75) до 2,13 кгс/кв. см (СС432). Чтобы почувствовать различия в этих значениях достаточно перевести их в общий вес каждого из этих катков – у НД75 – 7,6 т (p_kc = 1,65 кгс/см²) и 11,1 т (2,13 кгс/см²), а у СС432 – 8,1 т (1,65 кгс/см²) и 11,9 т (2,13 кгс/см²). А ведь с такими весовыми нагрузками и контактными давлениями каток за пару первых проходов начинает первичное силовое «знакомство» с уплотняемым материалом, его состоянием и деформативной реакцией.

Естественно, чем выше нагрузка катка, тем плотнее и прочнее должен быть материал. У катка с небольшим p_kc (НД75) есть возможность бездефектно начать укатку более горячей и пластичной смеси, уложенной в покрытие более тонким слоем и с незначительной начальной плотностью. У СС432 такой возможности нет, но зато он способен более продуктивно начать свою работу на более прочных смесях, укладываемых в покрытие более толстыми слоями и с более высокой плотностью после укладчика.

Если бы НД75 можно было дополнительно догружать сменяемых балластом так, чтобы повысился его p_kc, к примеру, до 2,0 кгс/кв. см, а СС 432, наоборот, разгружать с помощью сменного балласта для создания p_kc = 1,60–1,65 кгс/кв. см, тогда оба катка стали бы пригодны для эффективной укатки асфальтобетонной смеси в обоих указанных случаях. Это позволило бы функциональные достоинства каждого из них соединить в одном образце виброкатка, исключив одновременно их недостатки.

Иначе, у современных виброкатков есть большой минус – они лишены возможности варьировать свой рабочий вес в большую или меньшую сторону путем балластировки, как это делается на многих катках статического типа. А это как раз тот первый способ регулирования общего силового воздействия виброкатка, который до сих пор не задействован и который в комбинации с уже освоенным и широко используемым вторым способом (варьирование P_o) может значительно поднять его эффективность, придав ему больше «ума» и универсальности.

Расчеты показывают, что, снабдив конструкцию НД75 возможностью догружать балластом с 7,6 до 8,8–9,0 т, а затем до 10,2–10,5 т и несколько при этом подкорректировав уже удачные параметры вибрации в нужном направлении, можно в одной его конструкции получить сразу как бы три катка с достаточно приемлемыми и обоснованными параметрами R_o и p_kd, пригодными для высококачественного уплотнения разных типов асфальтобетонных смесей тонкими, средними и толстыми слоями с различной стартовой (после укладчика) ее плотностью. Дорожникам виброкаток «3 в 1» крайне нужен.

Вообще при создании новых образцов или при оценке существующих виброкатков для уплотнения асфальтобетонных смесей полезно следовать нескольким основным выводам и принципам:

• в работе за укладчиком наиболее выгодными с точки зрения производительности и стоимости являются виброкатки с вальцами (ширина х диаметр) 1680х(1200…1300) и 1950х(1300…1400) мм;
• виброкаток должен иметь показатели уплотняющей способности p_kc и p_kd, соответствующие типу смеси, толщине слоя, а также начальному (после укладчика) и заключительному (конец укатки) ее состоянию по плотности и температуре; спрогнозировать ход изменения свойств материала по мере роста плотности и снижения температуры можно по результатам лабораторных опытов с измерением прочностных и деформативных свойств материала при тех скоростях нагружения, которые характерны для реальных катков;
• на виброкатке должны регулироваться общее силовое воздействие вальца и его контактное давление сообразно предыдущему пункту, причем сам способ регулирования должен быть комбинированным, т. е. как за счет статического веса, так и за счет центробежной силы вибровозбудителя с учетом влияния отношения веса пригруза к весу колеблющегося вальца; для асфальтобетонной технологии целесообразны не менее 3–4 ступеней регулировки, способные охватить основные разновидности работ по уплотнению;
• назначение одной и той же величины центробежной силы, но при разных сочетаниях веса вальца, амплитуды и частоты его колебаний, влечет за собой неадекватные последствия для результатов уплотнения и, в первую очередь, по толщине слоя; амплитуда не должна превышать сотую часть толщины слоя, а частоте следует расти с уменьшением его толщины и наоборот; ускорение колебаний вибровальца целесообразно задавать для тонких слоев в пределах (2,5…3,5)g, средних (3,5…4,5)g, толстых – (4,5…5,5)g;
• на виброкатке крайне желательна автоматическая система отключения вибрации или снижающая ее частоту для исключения силовой перегрузки смеси за счет возрастания реальной амплитуды колебаний вальца, особенно в конце процесса укатки; не лишними или даже очень полезными могут быть также измеритель амплитуды реальных колебаний вальца, спидометр для контроля и регулирования рабочей скорости катка и система подогрева смачивающей вальцы воды теплом выхлопных газов двигателя.

Заключение. Приведенные данные и результаты анализов показывают, что дорожные катки для уплотнения асфальтобетонных смесей, в том числе наиболее прогрессивные вибрационные еще не в достаточной мере соответствуют потребностям дорожной практики. Но у них есть потенциальные возможности и пути для функционального и технологического совершенствования, и в первую очередь за счет «умного» регулирования уплотняющих силовых воздействий и создания более универсальных образцов, например, по схеме «3 в 1».

Каким бы красивым или неказистым, удобным или неудобным, большим или маленьким, с кабиной или без, сделанным в той или иной фирме (стране) ни был статический или вибрационный каток, он должен исправно, качественно и эффективно выполнять основную свою функцию – уплотнять дорожный материал. Это главное.

СОДЕРЖАНИЕ:

УПЛОТНЕНИЕ АСФАЛЬТОБЕТОНА

 - Общее силовое воздействие

 - Контактные давления

 - Пригруз

 - Регулирование силового воздействия

Автор: Костельов М. П.

к.т.н., главный технолог ЗАО «ВАД» (г. Санкт-Петербург)

Ссылка: http://library.stroit.ru/articles/asfalt2/index.html