Инновации в развитии конструкций дорожных катков
Вибрационные дорожные катки выпускаются уже десятки лет, а самой идее дорожного катка и первым конструкциям исполнилось около ста лет. В последние годы развитие машин этого типа идет быстрыми темпами вместе с ростом потребности в их работе. Практически во всем мире стремительно растет парк автотранспорта. Грузовые автомобили и автопоезда становятся все тяжелее, напряженность движения увеличивается, и это оказывает на автомобильные дороги разрушающее воздействие. Чтобы грузоперевозки и пассажирское сообщение не прерывались, нужны новые дороги более высокого качества, а дорожно-ремонтные работы должны выполняться быстро и с высокой производительностью.
В последние годы в ответ на требования рынка ведущие мировые производители представили потребителям множество новых усовершенствованных машин для уплотнения асфальта и других материалов. Это оборудование разрабатывалось для того, чтобы увеличить производительность и экономическую эффективность выполнения дорожно-строительных и дорожно-ремонтных работ. Важную роль в развитии технологий уплотнения материалов играет также прогресс в области программного обеспечения электронных систем управления машинами. Интеллектуальные системы контроля уплотнения получают все большее применение на дорожных катках.
На потребительский спрос на дорожно-строительную технику большое влияние оказывает состояние строительной отрасли и наличие крупных инфраструктурных проектов в стране. Как только правительство какой-либо страны отпускает бюджетные средства на реализацию масштабных строительных проектов, спрос на строительную технику вообще и на дорожные катки в частности значительно возрастает.
Непосредственно на отечественный рынок дорожных катков большое влияние оказывает то обстоятельство, что в России продолжается реализация национального проекта «Безопасные и качественные автомобильные дороги». Этот масштабный проект финансируется из федерального и региональных бюджетов, и это способствует увеличению спроса на дорожные катки.
Усовершенствования конструкции современных катков
Производители дорожных катков продолжают выводить на рынок все новые усовершенствованные конструкции и технологии производства этой техники. Вот несколько примеров таких передовых разработок.
В соответствии с тенденциями на ужесточение экологических норм для спецтехники и использования альтернативных источников энергии производители дорожных катков разрабатывают инновационные силовые приводы.
Новая разработка компании BOMAG, входящей в состав Fayat Group, – альтернативные системы силового привода для ее популярного легкого двухвальцового асфальтового катка мод. BW 120 массой 2,6 т с вальцами шириной 1,2 м. На выбор предлагается два дизельных двигателя, газовая версия, работающая на пропане, ведутся работы по созданию электрического привода.
Каток, работающий на пропане, стоит столько же, сколько стандартная модель с дизелем. Газ содержится в стандартных 11-килограммовых баллонах, которые обеспечивают непрерывную работу в течение пяти часов. Газовая версия уже предлагается почти на всех рынках. Газовый двигатель соответствует экологическому стандарту Stage V, развивает мощность 30 кВт, по сравнению с дизелем общий уровень токсичности выхлопных газов у него меньше приблизительно на 50%. Система выпуска оснащается сажевым фильтром, более сложных агрегатов для нейтрализации вредных выбросов не требуется.
Каток с электроприводом комплектуется четырьмя литий-ионными батареями и двумя электромоторами. Заряд батарей обеспечивает работу машины в течение 1,5 ч, время зарядки батарей от нуля до полного уровня составляет 1,5 ч. Модель экологична, но стоит в 2–3 раза дороже стандартного дизельного варианта. Специалисты BOMAG считают, что отсутствие питания от общей электросети на многих стройплощадках пока является препятствием для продвижения электрической модели на рынок. Тем не менее в некоторых случаях использование электрического дорожного катка предпочтительно, например, в туннелях, закрытых помещениях, поэтому BOMAG продолжает искать возможности продвижения этой модели на рынок.
Мод. BW 120 с дизельным двигателем Kubota мощностью 24,3 кВт также соответствует требованиям стандарта Stage V. Существует еще версия с двигателем мощностью 18,5 кВт и с меньшей стоимостью эксплуатации.
Одной из наиболее заметных недавних разработок в отрасли является выпущенная весной 2018 г. компанией Hamm серийная модель двухвальцового дорожного катка с гибридным приводом мод. HAMM-HD+90i PHVO Hybrid Roller массой 9 т, в то время как другие фирмы заявляют только об исследовательско-конструкторских работах, которые ведутся над подобными конструкциями.
В составе привода обычный двигатель внутреннего сгорания и гидроаккумулятор. Дизель обеспечивает энергию для работы с обычными нагрузками, а гидроаккумулятор компенсирует пиковые нагрузки до 20 кВт, которые возникают редко, например, при запуске механизмов вибрации или осцилляции. В основном же для работы требуется намного меньшая мощность. Во время эксплуатационных испытаний инновационный каток продемонстрировал значительную экономию топлива (до 15%), уменьшение производственных расходов и стоимости обслуживания при сохранении производительности уплотнения материалов. Подчеркнем, что мощность двигателя гибридной модели (55,4 кВт) меньше, чем у двигателя базовой модели с обычным приводом (85 кВт).
Экономии энергии способствуют также вентилятор охлаждения, включающийся по потребности, и система автоматического выключения двигателя, когда каток не работает.
Компании-производители дорожных катков теперь стали использовать сдвижные сиденья и консоли в конструкции поста управления оператора, для того, чтобы улучшить эргономичность и обзор вальцов и краев уплотняемого дорожного покрытия с места оператора.
Компания Dynapac недавно расширила модельный ряд тандемных асфальтовых катков 6-го поколения тремя моделями катков с осцилляцией: CO4000-VI, CO4200-VI и CO5200-VI. Их отличает возможность оперативной замены зубчатых синхронизирующих ремней приводов эксцентриковых валов буквально за пару часов, за счет наличия специальных лючков в торцевой части вальца и тщательно продуманной конструкции привода. Обечайка осциллирующего вальца выполнена из стали повышенной износостойкости – Hardox 450. В новых моделях сохранены все достоинства асфальтовых катков шестого поколения: идеальную развесовку между передним и задним модулем; электронный контроль привода передвижения с режимом плавного старта и останова, предотвращающим деформацию покрытия при реверсировании; просторную асимметричную кабину, позволяющую оператору точно контролировать боковую кромку вальца, находясь внутри кабины, даже при неблагоприятных погодных условиях; поворотно-сдвигаемый модуль управления, обеспечивающий оператору точное и максимально безопасное управление катком, поскольку все органы управления, рулевое колесо и цветной сенсорный информационный более дисплей сопровождают все перемещения кресла оператора внутри кабины.
Наряду с осцилляцией, стандартный режим высокочастотной вибрации (67Гц), является простым и эффективным средством уплотнения тонких слоев дорожных покрытий без риска дробления каменного материала смеси.
Разработаны системы высокочастотной вибрации вальцов, которые хорошо подходят для уплотнения тонких слоев асфальта, т. к. они быстро остывают и их необходимо быстро уплотнять.
Осцилляция. С целью устранения недостатков виброуплотнения была разработана система осцилляции вальца. Уплотняющее воздействие при осцилляции создается за счет горизонтальной реверсивной циклически изменяющейся силы, то есть валец под действием понуждающих сил перемещается в горизонтальном направлении вперед и назад.
Компания XCMG выпускает двухвальцовый осцилляционно-вибрационный каток мод. XD133VO массой 13,2 т, с двигателем мощностью 118 кВт, с системой осцилляции с изменяемой частотой (29–34 Гц) и двумя амплитудами (1,59 и 1,91 мм), а также с системой высокочастотной вибрации. Глубина уплотняемого слоя – до 40 см, преодолеваемый подъем – 35%. Каток оснащен современной интеллектуальной системой контроля уплотнения с применением CAN-шины. Универсальная машина имеет широкий диапазон применения, от начального уплотнения до финишных работ, а также может служить для уплотнения оснований.
В рабочем режиме интеллектуальная система выполняет начало движения и торможение катка таким образом, чтобы избежать формирования сдвиговой волны материала перед вальцом, улучшить гладкость поверхности дороги и снизить вероятность образования трещин. В силовом приводе XD133VO реализован ряд функций для энергосбережения и снижения уровня вредных выбросов, таких как электронное регулирование интенсивности охлаждения в зависимости от потребности, автоматическое регулирование мощности двигателя в зависимости от нагрузки и т. п.
В режиме осцилляции валец постоянно находится в полном контакте с поверхностью материала, а отсутствие вибрации в вертикальном направлении уменьшает риск раздавливания инертных материалов-заполнителей (щебня) невысокого качества в составе смеси, так же, как и ее переуплотнения. Осциллирующий валец не ударяет по уплотняемому слою, а как бы раскатывает, «перемешивает» его, не сминая в вертикальном направлении, в результате уплотняющее усилие при этом меньше, чем у обычного вибрационного вальца, уплотняющие усилия действуют локально, и вибрация не передается по грунту, уменьшается беспокойство для людей, живущих вблизи стройки.
BOMAG имеет в своем портфолио асфальтовые катки со всеми возможными типами вибросистем: классическая вибрация, направленная вибрация и осцилляция.
Тангенциальная осцилляция от BOMAG (система TanGO) – это мягкое уплотнение, при котором в отличие от стандартной вибрации валец всегда находится в контакте с поверхностью. Рабочая скорость катка в этом случае может быть увеличена без создания сдвиговой волны. Уплотнение TanGo предотвращает разрушение частиц щебня и не допускает отскока вальца. Система TanGo не только проста в эксплуатации, но и отличается низкими эксплуатационными расходами. Система BOMAG TanGO требует меньше мощности, чем стандартные системы, и позволяет экономить топливо. Кроме того, существенно снижена потребность в обслуживании. BOMAG сейчас предлагает разрезные вальцы на свой асфальтовый каток с осцилляцией мод. TanGo4. Разрезные вальцы на катке с осцилляцией позволяют машине выполнять повороты с меньшими радиусами, не повреждая поверхности дорожного покрытия. При необходимости уплотнять более толстые слои материала может быть задействован передний валец, оборудованный стандартным двухамплитудным вибратором.
Поскольку осцилляционные колебания создают более мягкое уплотняющее усилие, применение таких катков особенно подходит для уплотнения тонких слоев, укатки мягких смесей, для укладки покрытий на мостах, городских улицах или рядом со зданиями, а также для уплотнения смеси с температурой на 15–20 °С ниже, чем обычно. При формировании стыков холодных и горячих полос асфальта они не разрушают остывший слой. Использование осцилляции, когда смесь слишком горячая, и после остывания смеси до температуры, критической для вибрации, помогает увеличить время на укатку, имеющееся у оператора. Оператору достаточно просто следить за значениями температуры уплотняемой поверхности и своевременно включать осцилляцию вместо вибрации. Каток с осцилляционным вальцом не повреждает уложенные под землей трубы или оптоволоконные кабели и, как правило, оставляет после себя более гладкую поверхность. Заметим, что и для вибрации, и для осцилляции важно контролировать скорость хода катка.
Компания Volvo СЕ в 2019 г. выпустила тандемный асфальтовый каток с осцилляцией мод. DD 105 OSC с двигателем мощностью 85 кВт. Это первый представитель нового поколения, разработанный для обеспечения высокой производительности при низком расходе топлива. Каток DD 105 OSC с теми же габаритными размерами, что и базовая мод. DD 105, оснащен передним вальцом с обычной вибрацией и задним с осцилляцией. При массе 9,9 т, что немного легче стандартной машины DD 105, масса которой составляет 10,5 т, валец нового катка имеет ширину 1,68 м и диаметр 1,22 м. Частота осцилляции – 39 Гц, тангенциальная амплитуда – 1,43 мм.
Благодаря инновационной конструкции вибрационной системы DD 105 OSC энергопотребление при пуске снижается на 50% по сравнению с моделями предыдущего поколения. К тому же за счет экономичного режима ECO можно уменьшить расход топлива на 30% без ущерба для производительности. Мощность двигателя автоматически регулируется в зависимости от условий работы. Конструкция лобового стекла кабины без передних стоек не создает помех для обзора. Вальцы со смещением позволяют оператору видеть бордюры и препятствия. Перемещаемое и вращающееся сиденье обеспечивает поле для обзора кромки вальца. Из других особенностей можно отметить автоматическую систему орошения с тройной фильтрацией и регулируемым потоком жидкости.
В некоторых государствах имеются законодательные требования, предписывающие использование осцилляции при уплотнении материалов на мостах, возле фундаментов строений и бетонных конструкций.
Катки с осцилляцией помогают повысить производительность и обеспечивают гладкую поверхность даже при уплотнении сложных смесей. Сегодня практически все производители уплотняющей техники имеют в своем арсенале машины с осцилляционным вальцом. В последние годы производители стали выпускать двухвальцовые катки, из которых один вибрационный, а другой осциллирующий. Сочетание вибрации и осцилляции на одном катке удачно компенсирует недостатки обеих технологий и позволяет достичь такой же степени уплотнения, как и при использовании вибрации на двух вальцах, но за меньшее количество проходов и с некоторыми преимуществами.
Компания Caterpillar предлагает клиентам модели с осциллирующим задним вальцом и передним вальцом, оснащенным обычным вибромеханизмом. Благодаря такой конструкции задний валец может оказывать уплотняющее воздействие на те участки покрытия, на которые нельзя воздействовать обычной вибрацией. Разработан целый ряд систем вибрации: осцилляционная собственной разработки и вибрационные с двумя и с пятью амплитудами вибрации, с двумя частотами вибрации и система Versa Vibe.
Система Versa Vibe делает из катка машину «2-в-1», потому что позволяет устанавливать четыре значения амплитуды и два значения частоты вибрации. В системе имеется два режима работы с малыми усилиями уплотнения и высокими скоростями работы – для уплотнения тонких слоев асфальтовой смеси – и два режима работы с высокими усилиями уплотнения и низкими скоростями работы – для уплотнения толстых слоев или сложных в обработке составов асфальтовых смесей.
Одна система позволяет устанавливать 5 значений амплитуды при одном значении частоты, а система с двумя амплитудами и двумя частотами вибрации позволяет уплотнять и тонкие, и толстые слои асфальта. Эта система теперь дополняется сочетанием вертикальной вибрации на переднем вальце и осцилляции на заднем вальце.
В этой конструкции совмещаются высокопроизводительная вертикальная система вибрации от Caterpillar на переднем вальце и технология осцилляции на заднем вальце. На переднем вальце, который осуществляет первичное уплотнение, можно устанавливать два значения амплитуды вертикальной вибрации либо пять значений амплитуды, а система Versa Vibe позволяет устанавливать четыре значения амплитуды и два значения частоты вибрации. А задний осциллирующий валец, где используются капсюльные противовесы и ременной привод, завершает процесс уплотнения, обеспечивая оптимальную гладкость и плотность покрытия.
Периодичность обслуживания системы осцилляции составляет 2 года, или 2000 часов работы.
Недостатки осцилляции. С появлением систем вибрации и осцилляции вальцов специалисты отрасли наряду с достоинствами отметили и ряд их недостатков, которые, однако, постепенно устраняются в каждом новом поколении интеллектуальных систем.
Как уже отмечалось, осциллирующий валец катка обладает низкой уплотняющей способностью, пригодной только для тонких или очень тонких слоев асфальтобетона. Высокое качество уплотнения при комбинированном воздействии двух вальцов (с вибрацией и осцилляцией) возможно только когда передний вибровалец эффективно уплотняет своими избыточными усилиями нижнюю часть укатываемого слоя с некоторым разуплотнением приповерхностной части, а задний осциллирующий валец своими слабыми воздействиями исправляет это разуплотнение поверхности.
Японская компания Sakai предлагает альтернативу традиционным каткам с осцилляцией. Мод. SW888ND-1 радикально отличается от других предложений на рынке, которые обычно имеют один валец с осцилляцией, а один с вибрацией. Оба вальца Sakai SW888ND-1 новой конструкции могут работать в режиме вибрации и осцилляции. Это позволяет оператору использовать различные режимы уплотнения с возможностью выбора осцилляции или вибрации на обоих вальцах или только на одном вальце или комбинировать режимы.
По заявлению изготовителя, такая конструкция обеспечивает повышенную производительность по сравнению с аналогами и позволяет достичь заданной плотности уплотнения вдвое меньшим числом проходов. Осцилляционный и вибрационный узлы катка SW888ND-1 приводятся в движение зубчатым приводом вместо ременного, что сокращает потребность в обслуживании. Масса машины с кабиной составляет 14,3 т. Каток имеет двигатель Deutz мощностью 90 кВт. Вальцы диаметром 1,37 м и шириной 2 м работают с частотой 46,7 Гц с максимальной амплитудой 0,55 мм.
Осциллирующий валец при работе дольше контактирует с материалом по сравнению с вибровальцом. Поэтому важно регулярно проверять состояние его амортизаторов и приводных ремней, а толщина обечайки осциллирующего вальца уменьшается быстрее, и срок его эксплуатации сокращается. В связи с этим объем техобслуживания у осциллирующих вальцов больше. Чтобы продлить сроки службы осциллирующего вальца, некоторые производители усиливают их кромки наварными накладками либо изготавливают вальцы из более прочного материала.
Как показывает опыт многих опрошенных нами специалистов, выбор типа и массы катка, а также режима уплотнения достаточно сложная задача, т. к. она тесно связана с типом и составом грунтов, асфальтобетонных смесей и прочих материалов, которые должны уплотняться. Очевидно, что оптимальные результаты достигаются, как правило, на основе богатого практического опыта работы с данными конкретными катками и уплотняемыми материалами.
Современные пневматические, вибрационные и осцилляционные катки являются эффективными уплотняющими машинами, способными обеспечить требуемое качество возводимого земляного полотна и дорожного покрытия. Задача дорожника состоит в грамотном осмыслении возможностей и особенностей этих средств для правильного ориентирования при их выборе и практическом применении.
