Виброволновые катки
Головнин А.А., Егоров А.Ю. (ТГТУ, г.Тверь, РФ)
The vibrowave road compactors differ from the vibrocompactors in the following: its operating organ does not vibrate but it is periodically deformed. The vibrowave compactors may become an alternative to the vibrocompactors where its shortcomings: a high level of frame and the driver's seat vibration, low reliability of the bearing units and rubber-metal shock absorbers – are eliminated.
Вибрационные катки, имеющие неоспоримые преимущества перед статическими, обладают также и рядом недостатков. Это - большая масса вовлекаемых в колебания частей катка, как следствие - высокий уровень вибрации рамы и рабочего места водителя, низкая надежность подшипниковых узлов и резинометаллических амортизаторов.
Альтернативой вибрационным каткам, в которой эти недостатки уменьшены, могут стать виброволновые катки.
В виброволновом вальце дорожного катка реализуется принцип возбуждения вибрации рабочего органа путем его периодического деформирования. Этот принцип был проверен в 1990-92 годах на катке ДУКВ-4 массой 4 тонны, серийно изготовлявшемся на Нелидовском АО «Машзавод» Тверской области (всего более 200 катков).
В 1998 году на ОАО «Тверьстроймаш» был изготовлен и успешно прошел приемочные испытания опытный образец виброволнового катка КВ-01. С ноября 1999 года катки КВ-01 выпускаются серийно.
Виброволновой дорожный каток КВ-01 отличается от своего предшественника тем, что взамен механической трансмиссии он снабжен гидроприводом, что позволило значительно упростить его конструкцию. Масса вальца увеличена с 4 до 6,5 т. Больше внимания обращалось на обеспечение ремонтопригодности. Кроме того, предусмотрена возможность как его сцепки с трактором, снабженным гидравлической системой, так и агрегатирования с силовым модулем трактора Т-150К.
Виброволновой дорожный каток КВ-01 массой 6,5 тонн, прицепной к трактору Т-150К (фото 1) или агрегатируемый с его силовым модулем, предназначен для послойного уплотнения предварительно спланированных насыпных грунтов и гравийно-щебёночных материалов при строительстве автомобильных дорог и подобных сооружений. В агрегатируемом с силовым модулем трактора Т-150К исполнении каток КВ-01 может применяться на уплотнении асфальтобетонных покрытий.
Валец катка (рисунок 1) содержит упругую (стальную) цилиндрическую обечайку 1, внутри которой расположен генератор волн. Генератор волн содержит шесть опорных роликов 2, 3, размещенных на раме 4 по три с каждой стороны обечайки. Через них на обечайку передается вес катка (за вычетом веса обечайки). Два ролика 2, по одному с каждой стороны – эксцентриковые. Валам эксцентриковых роликов при помощи двух гидромоторов сообщается
Рисунок 1
вращение. В результате расстояние между центром тяжести катка и точкой опоры эксцентриковых роликов на обечайку периодически изменяется и вызывает динамическое воздействие на обечайку, заставляя ее циклически деформироваться. При этом уплотняемый материал испытывает на себе вибрацию нижней части обечайки.
Принцип действия виброволнового вальца основан на возможности получения значительных упругих деформаций тонкостенной оболочки без превышения предела выносливости ее материала В катке КВ-01 обечайка вальца диаметром 1420 мм при толщине 14 мм деформируется на 20 мм, что позволяет получить значительно большую амплитуду колебаний, чем у вибрационных катков с жесткими вальцами (традиционного исполнения).
Трехлетний опыт производства и эксплуатации катка КВ-01 показал, что виброволновой каток КВ-01 обеспечивает, по крайней мере, такие же показатели производительности, как и вибрационные катки с дебалансным вибровозбудителем того же типоразмера, но при этом обладает по сравнению с ними некоторыми преимуществами.
В виброволновом катке отношение массы обечайки к массе всех остальных частей значительно меньше, чем в виброкатке отношение массы вибровальца с дебалансным вибровозбудителем к массе всей остальной части катка. Поэтому виброволновое движение обечайки вовлекает в вибрационное движение все остальные части катка в значительно меньшей мере (на порядок меньше), чем вибрационное движение вибровальца вовлекает в вибрационное движение раму виброкатка.
Обечайка ничем жестко не связана с остальной частью катка и как бы ходит ходуном, повышая эффективность укатки. Это позволяет повысить амплитуду колебаний обечайки, передаваемых на уплотняемый материал (до 20 мм) без дополнительных затрат мощности. Воздействие же на уплотняемый материал через деформируемую поверхность гибкой обечайки, к тому же с большей амплитудой колебаний, повышает эффективность уплотнения.
Кроме того, при вибродеформации обечайки ее верхняя и нижняя половины движутся в противофазе, как бы отталкиваясь друг от друга. Это, а также то, что масса обечайки относительно мала по сравнению с массой остальных частей катка, позволяет обеспечить допустимый уровень вибрации на рабочем месте водителя без применения специальных средств виброзащиты (в вибрационных катках в качестве средства виброзащиты используются резинометаллические амортизаторы). С учетом того, что резинометаллические амортизаторы могут иметь низкую надежность, это дает основание говорить о принципиально более высокой надежности виброволнового вальца катка по сравнению с вибрационным вальцом.
Обычный вибрационный валец воздействует на уплотняемый материал довольно жестко, уплотняя материал непосредственно под ним, но разуплотняя на соседних участках. Виброволновой валец за счет своей гибкости воздействует на уплотняемый материал более мягко и меньше разуплотняет его. Виброволновой валец оставляет после себя на поверхности покрытия меньше трещин по сравнению с виброкатком с обычным жестким вальцом, что, в результате должно повысить долговечность покрытия.
Эксцентриковый вал вибровозбудителя смонтирован внутри ролика, опирающегося на внутреннюю поверхность обечайки, вследствие чего не требуется его центрирование относительно обечайки. В этих условиях к обечайке виброволнового вальца может не предъявляться условие округлости. Выявленная эллипсность обечаек 5-10 мм никак не проявлялась в работе катка.
Это позволило отказаться от необходимости дорогостоящей обработки обечайки на карусельном станке, которая выполняется с целью придания ей округлости. Резко уменьшен объем токарных работ (длина осей вибровозбудителей менее 300 мм). За счет особенностей конструкции уменьшено общее количество деталей и узлов.
Отсутствие в виброволновом вальце ребер жесткости, являющихся концентратором напряжений, позволяет использовать обечайку в 3 раза более тонкую по сравнению с традиционным виброкатком (14 мм против 40 мм) без опасности поломки из-за потери обечайкой устойчивости. Материалоемкость катка КВ-01 на 30% меньше материалоемкости вибрационного катка с вибровальцом такого же типоразмера. Необходимая для данного типоразмера масса катка обеспечивается за счет балласта (вода).
Вследствие значительно меньшей материалоемкости и трудоемкости изготовления виброволновой каток КВ-01 в два раза дешевле аналогичного вибрационного катка той же массы.