ВАЛЕЦ ДОРОЖНОГО КАТКА Российский патент 2010 года по МПК E01C19/26 

Изобретение относится к дорожно-строительной технике и может быть использовано в конструкции дорожных катков, при строительстве дорог с асфальтобетонным покрытием для его уплотнения, на всех стадиях процесса уплотнения асфальтобетонной смеси.

Известен валец дорожного катка, включающий барабан, установленный с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси, снабженный приводом вращения (см. сайт ООО "Меркатор-Сервис" - Комплексные поставки дорожной и строительной техники, рубрика «Продукция», страница «Катки дорожные» http://www.merkatorservis.ru/about.html).

Для качественного уплотнения асфальтобетонной смеси (АБС) требуется постоянное возрастание силового воздействия дорожного катка от прохода к проходу. Однако известные конструктивные решения способны обеспечить качественный результат только при использовании комплекса из нескольких типоразмеров машин, обеспечивающих работу на всех стадиях процесса уплотнения, поскольку их вальцы не способны реализовать сложные виды уплотняющих нагрузок в различных сочетаниях.

Известен также Валец дорожного катка, содержащий цилиндрическую обечайку, закрепленную на валу посредством ступиц, снабженную сквозными отверстиями, равномерно расположенными на ее наружной поверхности (см. RU №1643654, Е01С 19/26, 1989).

Недостаток этого технического решения - ограниченный диапазон варьирования рабочих характеристик дорожного катка и недостаточная эффективность воздействия рабочего органа на уплотняемый материал.

Задача изобретения - расширение диапазона варьирования рабочих характеристик дорожного катка и повышение эффективности воздействия рабочего органа на уплотняемый материал.

Технический результат, получаемый при использовании устройства, выражается в обеспечении изменения контактных давлений в широком диапазоне, что обусловлено установлением силового равновесия системы «рабочий орган - уплотняемый материал» на любой стадии процесса уплотнения за счет оптимизации отверстий и придания им специальной формы. Кроме того, наличие перфорации улучшает выход воздуха из уплотняемого слоя и способствует активной переориентации минеральных частиц асфальтобетонной смеси. Кроме того, обеспечена возможность снижения в 2 раза относительной возмущающей силы для вибрационных дорожных катков. При этом обеспечена возможность использования одного дорожного катка на всех циклах уплотнения асфальтобетонных смесей толщиной 40-70 мм. При этом обеспечена возможность визуального определения окончания работ по уплотнению асфальтобетонных смесей и снижения волнообразования АБС.

Для решения поставленной задачи валец дорожного катка, содержащий цилиндрическую обечайку, закрепленную на валу посредством ступиц, снабженную сквозными отверстиями, равномерно расположенными на ее наружной поверхности, отличается тем, что сечение сквозного отверстия уменьшается от внешней поверхности обечайки вальца к внутренней, при этом участок отверстия, непосредственно примыкающий к внутренней поверхности обечайки, выполнен цилиндрическим, а участок, непосредственно примыкающий к ее внешней поверхности, выполнен коническим, угол образующей которого составляет 45°, при этом отношение суммарной площади сквозных отверстий со стороны внешней поверхности обечайки к ее площади принимают в диапазоне 0,25-0,3, при этом отношение диаметра отверстия со стороны внешней поверхности обечайки к толщине слоя укатываемой асфальтобетонной смеси принимают в диапазоне 0,5-0,65. Кроме того, диаметр цилиндрического участка сквозного отверстия не превышает минимальный размер фракций крупного заполнителя.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».

Признаки отличительной части изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признаки «сечение сквозного отверстия уменьшается от внешней поверхности обечайки вальца к внутренней» и признаки «участок, непосредственно примыкающий к ее внешней поверхности, выполнен коническим» обеспечивают частичную подпрессовку уплотняемого материала наклонными стенками отверстия и, кроме того, в этом случае поперечное сечение при заполнении объема выдавленным материалом слоя изменяется (уменьшается) быстрее, что способствует большему диапазону изменения показателя уплотняющей способности катка.

Признаки «участок отверстия, непосредственно примыкающий к внутренней поверхности обечайки, выполнен цилиндрическим» в совокупности с признаками второго пункта формулы исключают продавливание уплотняемого материала в полость вальца.

Признак, указывающий, что угол образующей конического участка отверстия «составляет 45°» обеспечивает оптимальный результат уплотнения, поскольку с учетом реальной пластичности укатываемого материала обеспечивает быстрое уменьшение поперечного сечения отверстия при заполнении его объема выдавленным материалом слоя, что способствует большему диапазону изменения показателя уплотняющей способности катка.

Признаки «отношение суммарной площади сквозных отверстий со стороны внешней поверхности обечайки к ее площади принимают в диапазоне 0,25-0,3», обеспечивая наибольший эффект уплотнения, исключают разрушение уплотняемого материала за счет резкого повышения уровня уплотняющих нагрузок.

Признаки «отношение диаметра отверстия со стороны внешней поверхности обечайки к толщине слоя укатываемой асфальтобетонной смеси принимают в диапазоне 0,5-0,65» обеспечивают максимально эффективное уплотнение (величину относительной деформации уплотняемого слоя) в пределах технологически оправданной его толщины.

Заявленное устройство иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 схематически показан его вид спереди на каток; на фиг.2 схематически показано взаимодействие укатываемого слоя с вальцами; на фиг.3 схематически показан разрез по сквозному отверстию; на фиг.4 показан график зависимости относительной деформации от относительной толщины уплотняемого слоя; на фиг.5 показана качественная картина зависимости изменения Показателя уплотняющей способности (ПУС) катка от угла образующей сквозного отверстия; на фиг.6 показан график изменения относительной деформации от толщины слоя АБС при контактном давлении 60 Н/см² под штампами с различным отношением суммарной площади сквозных отверстий, со стороны внешней поверхности вальца к ее площади.

На чертежах схематически показаны рама дорожного катка 1, вальцы 2, горизонтальная ось 3, сквозные отверстия 4, внешняя 5 и внутренняя 6 поверхности обечайки 7 вальца 2, цилиндрический 8 и конический 9 участки отверстия 4, слой 10 укатываемой асфальтобетонной смеси, его уплотненные 11 и неуплотненные 12 зоны, выступы 13 (образующиеся на месте взаимодействия слоя 10 с отверстиями 4).

Для выявления конструктивных параметров вальцев 2 были выполнены серии экспериментов, в ходе которых были установлены зависимости эффективности воздействия перфорированного рабочего органа на уплотняемый материал от его конструктивных параметров (диаметр отверстий, форма отверстий, отношение площади перфорации к площади поверхности катка) и толщины уплотняемого слоя. Установлены статистические зависимости между параметрами дорожных катков как с гладкими вальцами (контрольные параметры), так и с перфорированными рабочими органами, позволяющие прогнозировать и определять их рациональные значения.

Для сравнения дорожных катков использовался «показатель уплотняющей способности катка - ПУС»

где - Q масса катка; В - ширина вальца; R - радиус вальца.

Эксперименты проводились на двух стендах, каждый из которых предназначен для проведения экспериментов либо со статическими, либо с вибрационными нагрузками.

Результаты опытов по определению зависимости диаметра отверстия от толщины уплотняемого слоя отражены на фиг.4, где представлен график зависимости относительной деформации от относительной толщины уплотняемого слоя при трех уровнях нагрузки: 1 - нагрузка 0,2 МПа; 2 - нагрузка 0,4 МПа; 3 - нагрузка 0,6 МПа;

--- перфорированный штамп, ---- сплошной штамп.

Полученные данные показывают, что наибольший эффект достигается при отношении диаметра отверстий перфорации к толщине уплотняемого слоя d/H=0,5-0,65.

Результаты экспериментальных работ по определению формы перфорационных отверстий представлены на фиг.5. На основании проведенных опытов установлена зависимость относительной деформации от формы перфорационных отверстий. Целесообразным углом наклона образующей следует считать угол 45°. В этом случае поперечное сечение при заполнении объема выдавленным материалом слоя изменяется (уменьшается) быстрее, что способствует большему диапазону изменения показателя уплотняющей способности (ПУС).

Важной задачей является определение отношения суммарной площади сквозных отверстий, со стороны внешней поверхности вальца к ее площади принимают в пределах 0,25-0,3 (фиг.6). С учетом требования σ_к=(0,8-0,9)σ_р, где σ_р - предел прочности; σ_к - контактные давления, увеличение отношения суммарной площади сквозных отверстий со стороны внешней поверхности вальца к ее площади свыше 0,4 приводит к увеличению уплотняющего усилия, соответствующего возрастанию массы катка в 2,7 раза. Это вызывает существенное нарушение принятой технологии уплотнения АБС. На основании проведенных исследований определено рекомендуемое отношение суммарной площади сквозных отверстий, со стороны внешней поверхности вальца к ее площади, которое составляет 25-30%.

Предлагаемый дорожный каток отличается от катков известной конструкции (предпочтительно снабженных вибраторами) только заявленным выполнением вальцов.

Полевые испытания запланированы на модернизированном вибрационном катке ДУ-47Б. На снятых вальцах будет выполнено 996 отверстий. Диаметры цилиндрических участков отверстий ведущего вальца d_1.в=23 мм и переднего вальца d_1.п=18 мм. Диаметры конических участков отверстий ведущего вальца d_2.в=43 мм и переднего вальца d_2.п=35 мм.

Заявленное устройство работает следующим образом.

Дорожный каток перемещают по слою 10 укатываемой асфальтобетонной смеси, который предварительно выравнивают известным образом и придают толщину порядка 70 мм. В процессе перемещения катка по слою 10 часть материала, попавшая под действие сплошного участка внешней поверхности 5 вальца 2, уплотняется (вдавливаясь в слой укатываемой асфальтобетонной смеси), образуя уплотненные зоны 11. При этом часть материала, оказавшаяся под отверстиями вальца 2, остается неуплотненной, образуя неуплотненные зоны 12, которые из-за «просадки» материала в окружающем их объеме слоя 10 выдавливаются в коническую часть отверстий 4 «образуя» выступы 13 на поверхности укатываемого слоя (см. фиг.2, показывающую описываемый процесс при движении вальца слева-направо). При обратном проходе дорожного катка, ввиду малой вероятности попадания вальца след в след, происходит смена нагруженных и разгруженных зон, что обеспечивает сложный вид силового воздействия.

Поскольку неуплотненные 12 от предыдущего прохода катка зоны будут окружены уплотненными зонами 11, деформация каждой неуплотненной зоны слоя будет развиваться внутрь этого слоя, при этом будет доуплотняться ранее неуплотненная зона. Перемещение частиц минерального остова по границам неуплотненных 12 и уплотненных 11 зон в вертикальном направлении будут способствовать более компактному окончательному распределению их относительно друг друга, что интенсифицирует процесс уплотнения.

Окончанием процесса укатки является то количество проходов, при котором исчезают следы от действия отверстий перфорации. Практически такие следы становились едва заметными уже после 8 проходов катка, а после 10 - неразличимыми. Дополнительным эффектом является также снижение волнообразования покрытия перед перфорированными вальцами. Испытания в независимой лаборатории строительных материалов Главвладивостокстроя показали, что плотность асфальтобетонной смеси после уплотнения дорожным катком с перфорированными вальцами составляет 0,98-1,02, а для аналогичной модели дорожного катка с гладкими вальцами - 0,94-0,96.

Кроме того, обеспечена возможность снижения в 2 раза относительной возмущающей силы для вибрационных дорожных катков. При этом обеспечена возможность использования одного дорожного катка на всех циклах уплотнения асфальтобетонных смесей толщиной 40-70 мм. При этом обеспечена возможность визуального определения окончания работ по уплотнению асфальтобетонных смесей и снижения волнообразования АБС.

Валец дорожного катка, содержащий цилиндрическую обечайку, закрепленную на валу посредством ступиц, снабженную сквозными отверстиями, равномерно расположенными на ее наружной поверхности, отличается тем, что сечение сквозного отверстия уменьшается от внешней поверхности обечайки вальца к внутренней, при этом участок отверстия, непосредственно примыкающий к внутренней поверхности обечайки, выполнен цилиндрическим, а участок, непосредственно примыкающий к ее внешней поверхности, выполнен коническим, угол образующей которого составляет 45°, при этом отношение суммарной площади сквозных отверстий со стороны внешней поверхности обечайки к ее площади принимают в диапазоне 0,25-0,3, при этом отношение диаметра отверстия со стороны внешней поверхности обечайки к толщине слоя укатываемой асфальтобетонной смеси принимают в диапазоне 0,5-0,65. Кроме того, диаметр цилиндрического участка сквозного отверстия не превышает минимальный размер фракций крупного заполнителя. При использовании заявленного устройства обеспечивается изменение контактных давлений в широком диапазоне, что обусловлено установлением силового равновесия системы «рабочий орган - уплотняемый материал» на любой стадии процесса уплотнения за счет оптимизации отверстий и придания им специальной формы. Кроме того, наличие перфорации улучшает выход воздуха из уплотняемого слоя и способствует активной переориентации минеральных частиц асфальтобетонной смеси. Кроме того, обеспечена возможность снижения в 2 раза относительной возмущающей силы для вибрационных дорожных катков. При этом обеспечена возможность использования одного дорожного катка на всех циклах уплотнения асфальтобетонных смесей толщиной 40-70 мм, а также обеспечена возможность визуального определения окончания работ по уплотнению асфальтобетонных смесей и снижения волнообразования АБС. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Валец дорожного катка, содержащий цилиндрическую обечайку, закрепленную на валу посредством ступиц, снабженную сквозными отверстиями, равномерно расположенными на ее наружной поверхности, отличающийся тем, что сечение сквозного отверстия уменьшается от внешней поверхности обечайки вальца к внутренней, при этом участок отверстия, непосредственно примыкающий к внутренней поверхности обечайки, выполнен цилиндрическим, а участок, непосредственно примыкающий к ее внешней поверхности, выполнен коническим, угол образующей которого составляет 45°, при этом отношение суммарной площади сквозных отверстий со стороны внешней поверхности обечайки к ее площади принимают в диапазоне 0,25-0,3, при этом отношение диаметра отверстия со стороны внешней поверхности обечайки к толщине слоя укатываемой асфальтобетонной смеси принимают в диапазоне 0,5-0,65.

2. Валец по п.1, отличающийся тем, что диаметр цилиндрического участка сквозного отверстия не превышает минимальный размер фракций крупного заполнителя.