Машины для уплотнения грунтов и дорожных покрытий

 

Уплотнение грунтов в земляных сооружениях и дорожно-строительных материалов, уложенных в покрытия, является важнейшей операций дорожного строительства. До 80% повреждений дорожного полотна так или иначе связано с некачественным уплотнением.

Сущность процесса уплотнения состоит в том, что под воздействием механической нагрузки частицы уплотняемого материала сближаются в результате уменьшения пористости и удаления содержащегося в порах защемленного воздуха, а в некоторых случаях, и в результате вытеснения избытка влаги. При сближении частиц материала повышается его плотность и несущая способность, уменьшается влагопроницаемость.

 

Уплотнение осуществляется тремя основными методами: это укатка, трамбование и вибрирование.

При укатке необратимая деформация (уплотнение) грунта развивается вследствие многократно повторяющегося действия перемещающейся нагрузки на поверхности контакта с грунтом перекатываемого по нему вальца или колеса.

При трамбовании грунт уплотняется падающей массой. При этом часть кинетической энергии в момент удара о грунт преобразуется в работу его уплотнения.

Виброуплотнение заключается в сообщении грунту колебательного движения, которое приводит к относительному смещению его частиц и более плотной их упаковке. Эти движения возбуждаются колеблющимися массами, находящимися либо на поверхности уплотняемого грунта (поверхностные вибраторы), либо внутри него (глубинные вибраторы). При виброуплотнении рабочий орган вибратора колеблется вместе с грунтом (присоединенной массой грунта). Если возмущения превзойдут определенный предел, то виброуплотнение преобразуется в вибротрамбование с отрывом рабочего органа вибратора от грунта и частыми ударами по нему. При этом грунт будет встряхиваться, и находящаяся в нем связанная вода перейдет в свободную, благодаря чему уменьшится сопротивляемость грунта внешним нагрузкам. Этим достигается большая эффективность процесса по сравнению с другими способами уплотнения. Как разновидность виброуплотнения применяют также комбинацию этого способа с укаткой, для чего перекатываемому по грунту катку сообщают направленные вертикальные колебания.

 

Классификация грунтоуплотняющих машин.

Катки предназначены для уплотнения грунтов и других сыпучих материалов (гравия, щебня), а также асфальтобетонов, при возведении отсыпаемых послойно дорожных насыпей, плотин и дамб, оросительных сооружений и водохранилищ, строительстве дорог и аэродромов и т. п. Катки  наиболее эффективны на линейных объектах большой протяженности или площадях с большими размерами.

 

 

1 — силовая установка (одноосный пневмоколесный тягач); 2 — кабина; 3 — вибровалец; 4 — рама вибровальца; 5 — вибровозбудитель; 6 — шарнирное сочленение полурам тягача и вибровальца; 7 — гидроцилиндр управления поворотом катка; 8 — пневмоколесо тягача.

 

Вибровозбудитель – это устройство, предназначенное для создания вибрации в рабочих органов уплотняющих машин. Наиболее распространены дебалансные вибровозбудители круговых колебаний.

 

 

 1 — дебаланс, 2 — вал, 3 — ступица вальца, 4 — шпонка.

 

При вращении дебаланса создается т.н. «вынуждающая сила», представляющая собой центробежную силу вращающейся с эксцентриситетом массы. При этом создаются круговые (ненаправленные) колебания.

 

Также в катках применяются вибровозбудители направленных колебаний [схема], и осциляторные вибровозбудители [схема].

 

Кроме дебалансных существуют другие способы генерации вынуждающей силы, вплоть до аэродинамических или электромагнитных вибровозбудителей.

 

 

По типу рабочего органа выделяют катки с гладкими, кулачковыми, решетчатыми и с пневмошинными вальцами.

 

Кулачковые катки [схема] отличаются от катков с гладкими вальцами наличием на рабочей поверхности вальцов кулачков, расположенных в шахматном порядке. Кулачки приваривают либо непосредственно к обечайке вальца, либо к полубандажам, которые затем монтируют на обечайке гладкого вальца. Междурядья кулачков очищают штырями, собранными на общей балке, прикрепленной к раме вместо скребка.  Грунт уплотняют внедряемыми в него кулачками, а на первых проходах также поверхностью вальца. Кулачковые катки эффективны для работы в рыхлых связных грунтах. Для уплотнения несвязных грунтов их не применяют из-за интенсивного перемещения частиц грунта вверх и в стороны, вследствие чего практически невозможно достигнуть требуемой плотности.

 

У решетчатого дорожного катка обечайка вальца выполнена в виде решетки, набранной из литых металлических элементов. Такие катки применяют для уплотнения как связных, так и несвязных комковатых грунтов, которые содержат твердые включения. Последние дробятся решеткой катка, что значительно повышает качество уплотнения.

Пневмоколесные катки [схема] весьма эффективны для уплотнения как связных, так и несвязных грунтов. Одним из преимуществ таких катков ялвяется бОльшая площадь контакта с уплотняемым материалом в отличие от гладких вальцов за счет эластичности и индивидуальной подвески колес. Для заглаживания неровностей сзади к раме катка цепями прикрепляется специальный выглаживающий брус, либо если оба вальца катка пневмошинные, то колеса устанавливаются в шахматном порядке [схема]. Благодаря эластичности колес пневмокатки широко применяют для уплотнения щебеночных оснований и асфальтобетонных покрытий, так как они не подвергают дроблению щебень и гравий.

 

По компоновке выделяют тандемные и комбинированные катки. Тандемный каток – каток с двумя однотипными вальцами (как правило два гладких вальца). Комбинированный – соответственно с вальцами разных типов (как правило – гладким и пневмошинным).

 

Также катки классифицируются по количеству вальцов и по количеству осей.

 

двухосный трехвальцовый

 

трехосный трехвальцовый

 

 

Виброплиты

применяют для уплотнения слабосвязных и несвязных грунтов, а также асфальтобетонов.

Вибрационная плита [СХЕМА] состоит из вибрирующей (ударной) и подрессорной частей. Вибрирующая часть — это собственно плита, являющаяся рабочим органом машины, представляет собой жесткую сварную конструкцию, на которой устанавливается вибровозбудитель. Над плитой на амортизирующих устройствах подвешивается рама с двигателем, трансмиссией и механизмами управления. Вращение дебалансам вибратора сообщается через гибкую, обычно клиноременную передачу от силовой установки.

Передвижение плиты осущетсвляется за счет действия вынуждающей силы, создаваемой вибровозбудителем. По конструкции вибровозбудителя различают плиты одновальные и двухвальные.

В одновальных плитах вибровозбудитель устанавливается в передней части плиты. За счет этого, при работе вынуждающая сила приподнимает переднюю часть плиты и передвигает ее вперед. Такие плиты являются нереверсивными, т.е. могут перемещаться только вперед при работе.

В двухвальных вибровозбудителях создаются направленные колебания, обеспечивающие как выполнение основной работы по уплотнению материала, так и передвижение плиты [схема]. Такие плиты могут выполнятся как нереверсивными, так и реверсивными.

В последних используется механизм изменения направления вынуждающей силы, например за счет поворота блока вибровозбудителя [схема] либо за счет изменения угла поворота одного из эксцентриков [схема].

 

Классификация виброплит:

По назначению виброплиты подразделяют:

- Для асфальта – данные модели имеют систему водяного орошения подошвы, которая препятствует налипанию асфальта и делает проще процесс утрамбовывания. Подошва устройств этого типа имеет гладкую поверхность с загнутыми краями, чтобы не оставалось следов на асфальтовом покрытии.

- Для уплотнения грунтов – виброплиты этого типа имеют рельефную поверхность плиты, больший вес и амплитуду вибрации.

По типу двигателя виброплиты бывают:

- С бензиновым двигателем. Такие плиты выпускаются весом от 50 до 500кг и используется для уплотнения щебня, грунта, асфальта, тротуарной плитки.

- С дизельным двигателем. Дизельные виброплиты выпускаются самой большой массы – до 1000кг и вынуждающей силой до 130кН. Используют для утрамбовывания и песка и щебенки.

- С электродвигателем – применяются в плохо проветриваемых помещениях и в ландшафтном дизайне. Область применения ограничена из-за необходимости подключения к электросети. Электрические виброплиты обеспечивают среднюю степень трамбовки (максимальный вес 300кг, что достаточно для утрамбовывания 400мм грунта).

По способу движения различают:

- Реверсивные виброплиты и нереверсивные (прямоходные).

По способу управления виброплиты бывают:

- Ручные – управляются оператором.

- Виброплиты с дистанционным управлением удобны для работы в ограниченном пространстве, но достаточно дороги и реализованы только на реверсивных моделях большой массы (больше 700кг).

Классификация виброплит по массе:

- Сверхлегкие - меньше 100кг.

- Легкие – имеют вес от 100кг до 200кг. Применяются для тонких слоев крупнозернистых грунтов и асфальтовых покрытий. Имеют высокую частоту и малую амплитуду вибрации.

- Средние – вес от 200кг до 500кг. Используются для уплотнения грунтов значительной толщины.

- Тяжелые – свыше 500кг. Имеют большую амплитуду вибрации, используют для обеспечения высокой степени уплотнения. Благодаря высокой маневренности их можно использовать вблизи бордюров, стен, ограждений и столбов.

 

Трамбующие машины

Предназначены для послойного уплотнения тяжелых связных и несвязных грунтов, слоями толщиной до 1,5 м, а в некоторых случаях и больше.

По принципу действия трамбовки делятся на машины ударного действия, механические вибротрамбовки, дизель-трамбовки (трамбовки взрывного действия), трамбовки с использованием паровоздушных и гидромолотов. Трамбовки выполняются в виде навесного оборудования к гусеничным тракторам, экскаваторам и грузоподъемным кранам.

 

К трамбовкам ударного действия относятся, прежде всего, трамбующие машины со свободно падающим рабочим органом. Конструктивно они выполняются либо в виде сменного трамбующего оборудования к экскаваторам или краном, либо в виде навесного трамбующего оборудования к гусеничным тракторам.

 

1 — гусеничный трактор; 2 — редуктор; 3 — полиспастный механизм; 4 — передняя подвеска; 5 — канатный компенсатор; 6 — тяга; 7 — канат; 8 — задняя подвеска; 9 — направляющие штанги; 10 — подвижные удлинители; 11 — трамбующая плита.

 

Грунт уплотняют двумя чугунными плитами поочередно поднимаемыми по установленным сзади трактора направляющим и падающими на грунт при непрерывном движении машины вперед.

Плиты поднимают канатами с помощью кривошипного механизма, приводимого в движение через редуктор от двигателя , установленного в передней части трактора.