1Загальна частина
1.1Техніко-економічне обґрунтування теми
Висока якість ущільнення основи і покриття дороги є однією з актуальних задач дорожнього будівництва, тому що від результатів процесу ущільнення залежать довговічність і вантажопідйомність дороги. Практика експлуатації доріг показує, що в основному руйнування доріг під дією великих навантажень і зростаючої інтенсивності руху відбувається внаслідок недостатнього і нерівномірного ущільнення основи чи покриття дороги. Звідси випливають наступні основні вимоги до властивостей машин, що ущільнюють:
- машина повинна забезпечувати достатній ступінь ущільнення; ущільнення, створене машиною, повинне бути рівномірним. Крім того, при ущільненні покриття повинні бути цілком закриті пори на його поверхні, щоб запобігти проникнення води і пилу, тобто поверхня покриття повинна бути водонепроникною. Водонепроникність покриття, чи водостійкість асфальтобетону, залежить від того, наскільки рівномірно поверхня мінеральних часток покрита бітумом.
В процесі ущільнення каркасний матеріал не повинен дробитися, тому що при цьому порушується одна з основних вимог водостійкості і міцності.
Продуктивність котків визначається глибиною ущільнення, шириною смуги, що ущільнюється, швидкістю укочування та кількістю проходів, необхідних для досягнення потрібної щільності коефіцієнта матеріалу.
Техніко-економічні дослідження показують, що для одержання коефіцієнта ущільнення ґрунту, рівного 0,98—1,0, найбільш дешевим засобом ущільнення є котки на пневматичних шинах. Котками з гладкими вальцями такий ступінь ущільнений може бути отриманий тільки при значному збільшенні числа проходів.
З огляду на зростаючу вантажопідйомність автотранспортних засобів і необхідний у зв'язку з цим більш високий ступінь ущільнення, котки на пневматичних шинах є більш перспективними машинами. Крім того, котки на пневматичних шинах дозволяють вести ущільнення більш товстих шарів при більшій ширині смуги, яка ущільнюється, ніж котки з гладкими вальцями.
Експериментальні дані показують, що глибина ущільнення ґрунтів котками з гладкими вальцями і котками на пневматичних шинах істотно відрізняється. Якщо гладкі вальці забезпечують глибину ущільнення 200—250 мм, то для котків на пневматичних шинах ця величина досягає 350—500 мм. Навіть при збільшенні діаметра гладкого вальця котка до 2 м і значному збільшенні його ваги товщина шару, що ущільнюється, не може перевищити 300 мм. При використанні пневматичних шин розміром 27,00—32 чи 30,00—20 на котках відповідної ваги товщина шару, що ущільнюється, може бути доведена до 750-850 мм.
Ширина смуги, що ущільнюється, в існуючих конструкціях самохідних котків знаходиться в наступних межах: котки з гладкими вальцями - 1,0-1,8 м; котки на пневматичних шинах - 1,7-2,5 м.
Одним з важливих параметрів процесу ущільнення є фактор часу. При збільшенні часу дії котка на матеріал, що ущільнюється, поліпшуються умови утворення структури шару, що укочується, і досягається його найбільша міцність.
Необхідне число проходів котка визначається сумарним часом, протягом якого матеріал повинен знаходитися в напруженому стані для досягнення необхідного ступеня ущільнення. Відомо, що при одній і тій же швидкості руху вальця і шини матеріал знаходиться в напруженому стані більш тривалий час при роботі шини. Отже, за інших рівних умов, необхідне число проходів котка на пневматичних шинах менше, ніж для гладких вальців, що підтверджується вітчизняними і зарубіжними дослідниками (рис. 1).
Для одержання високої якості ущільнення необхідно дотримуватись основного правила виконання процесу ущільнення: поступово, від проходу до проходу, підвищувати тиск на матеріал, що ущільнюється. Тиск робочого органа повинен бути трохи нижчим чи дорівнювати межі міцності матеріалу на відповідній стадії ущільнення.
Рис. 1.1. Залежність коефіцієнта ущільнення ґрунту від числа проходів котка:
1 - на пневматичних шинах: 2 - з гладкими вальцями
Можливості котків з гладкими вальцями і на пневматичних шинах по зміні тиску на матеріал, що ущільнюється, в процесі укочування істотно відрізняються. Так, тиск на котках з гладкими вальцями змінюється з довантаженням котка і при укоченні практично не зменшується. Тиск котків на пневматичних шинах в процесі укочування регулюється зміною тиску повітря в шинах, що може бути легко і швидко виконане при наявності централізованої системи підкачування шин.
Рівномірність ущільнення забезпечується відповідною пристосованістю коліс до поверхні, що ущільнюється, при збереженні постійного навантаження і площі контакту з опорною поверхнею на даному етапі ущільнення. При наїзді твердого корпуса вальця на незначно підвищені чи попередньо ущільнені місця проміжні ділянки опиняються під меншим тиском, в результаті чого ущільнення відбувається нерівномірно. У більшості конструкцій котків на пневматичних шинах цей недолік усунуто шляхом застосування в ходовій частині спеціальних зрівняльних систем, що забезпечують пристосовуваність коліс до опорної поверхні і їх рівномірне навантаження.
Вітчизняними шляховиками ущільнення покриття здійснюється головним чином котками з гладкими вальцями статичної і вібраційної дії.
За результатами досліджень вітчизняних і закордонних фахівців котки з гладкими вальцями не забезпечують в даний час достатнього ступеня ущільнення. Це можна пояснити тим що котки з гладкими вальцями почали застосовуватися для ущільнення покриттів, призначених для порівняно легких автотранспортних засобів. У той же час такі котки забезпечували достатній ступінь ущільнення покриття. Зараз, коли стали широко застосовуватися автомобілі високої вантажопідйомності і значно зросла інтенсивність руху на дорогах щільність, забезпечувана гладкими вальцями, виявляється вже недостатньою.
Підвищити ефективність ущільнення ґрунту котками з гладкими вальцями можна, але при цьому неминуче руйнування структури ґрунту і, крім того, потрібно буде збільшити вагу і розміри котків, що створить певні труднощі при експлуатації котків.
Котки з гладкими вальцями не забезпечують не тільки достатнього ступеня ущільнення, але й інших вимог до покриття: рівномірності ущільнення, водонепроникності; у ряді випадків спостерігається руйнування структури ґрунту. Ці негативні властивості котків із гладкими вальцями підтверджуються нашими і закордонними дослідниками. Велика робота по виявленню властивостей ущільнюючих котків з гладкими вальцями та на пневматичних шинах була проведена в СоюздорНДІ та його Ленінградській філії, а також в МАДІ, ВНДІБудшляхмаші.
У штаті Огайо (США) були проведені порівняльні іспити важкого самохідного котка на пневматичних шинах і самохідній котку на металевих вальцях при ущільненні ґрунтових покрить. Результати показали, що ущільнення самохідним котком на пневматичних шинах набагато ефективніше. Після проходів котка ушкоджень поверхні покриття не спостерігалося. За рахунок еластичності пневматичних шин виключався зсув ґрунту в напрямку руху котка. Щільність ґрунту по краях смуг, що укочуються, не відрізнялася від щільності іншої частини покриття.
У ФРН в минулому здійснені порівняльні іспити самохідних котків на пневматичних шинах, вібро- і статичних котків із гладкими вальцями по економічності та ефективності їхнього застосування для ущільнення ґрунту. Іспити проводилися в однакових умовах. Результати іспитів показали істотні переваги котків на пневматичних шинах перед котками з гладкими вальцями:
1) котками на пневматичних шинах досягається максимальне і найбільш однорідне ущільнення. Поверхня покриття рівна, характеризується замкнутою однорідною структурою. Після ущільнення віброкотком на поверхні покриття залишається безліч хвиль, хоча і не так чітко виражених, як при ущільненні статичним трьохвальцевим котком;
2) покриття, ущільнене котками на пневматичних шинах, мало мінімальну водопроникність. В середньому через покриття фільтрувалося близько 10,5 см3 води за годину. У двох точках виміру після 1 год іспитів вода не фільтрувалася. Таким чином, ділянку, ущільнену котком на пневматичних шинах, можна вважати водонепроникною. На ділянці роботи віброкотка водопроникність в середньому складала 66 см3/год, а на ділянці іспитів статичного котка — 644 см3/год;
3) продуктивність котка на пневматичних шинах у кілька разів вище, ніж віброкотка, і в 2 рази вище продуктивності статичного котка.
Причини отримання водонепроникного покриття при його ущільненні котками на пневматичних шинах у даний час ще не виявлені. Приблизно це явище може бути пояснено характером розподілу нормальних і дотичних сил по площі контакту пружного тіла (шини) з пружнов'язкопластичним матеріалом, яким є грунт. Ймовірно, напрямок і характер зміни дотичних сил сприяють більш компактному розподілу складових ґрунту.
Ефективність застосування самохідних котків на пневматичних шинах при ущільненні ґрунтів відображена в результатах польових досвідів проведених у ВНДІБудшляхмаші та МАДІ в 1963-1966 р.
На рис. 1 показана залежність коефіцієнта ущільнення грунту від числа проходів котка на пневматичних шинах VR-920Р вагою 22 т (крива 1) і на металевих вальцях вагою 10 т (крива 2).
Отримані криві коефіцієнта ущільнення від числа проходів котка добре показують ефективність процесу ущільнення ґрунту самохідними котками на пневматичних шинах:
1) котком на пневматичних шинах досягається більший ступінь ущільнення, ніж гладкими вальцями;
2) можливе одержання коефіцієнта ущільнення більше одиниці;
3) для одержання коефіцієнта ущільнення, рівного одиниці, потрібно 8—10 проходів котка на пневматичних шинах.
Криві на рис. 1 підтверджують думку про недостатню ефективність котків з гладкими вальцями для ущільнення асфальтобетонних покриттів, як з погляду щільності, що досягається, так і по числу проходів.
Викладене дозволяє коротко сформулювати основні позитивні властивості самохідних комбінованих котків:
1) висока продуктивність і економічна ефективність за рахунок великої глибини і ширини ущільнення, а також порівняно малого числа проходів, необхідного для досягнення необхідної щільності;
2) висока якість виконуваних робіт, тобто досягнення ступеня ущільнення більше одиниці, одержання рівномірного ущільнення, що забезпечується властивостями шини й умовами її взаємодії з матеріалом, що ущільнюється, часом дії навантаження на матеріал, що ущільнюється, можливістю досить широкого регулювання тиску повітря в шинах, конструкцій ходової частини;
3) можливість працювати човниковим способом, висока транспортна швидкість, маневреність і універсальність.