Инновации в развитии конструкций дорожных катков
Интеллектуальный контроль уплотнения
Фокус в развитии современных дорожных катков все больше смещается в сторону машин, оборудованных электронными системами управления, обеспечивающими безошибочную и более комфортную работу оператора. Особое внимание уделяется наличию в машинах электронных систем помощи оператору, таких как интеллектуальные системы контроля уплотнения IC (Intelligent Compaction), системы контроля температуры асфальтобетона и телематические системы. Специалисты отмечают резкое повышение спроса на катки с подобными системами, обеспечивающими безошибочную и более комфортную работу оператора. На самом деле «интеллектуальное уплотнение» не такая уж новинка, первые версии этой технологии появились еще в 1990-х гг. Однако в последнее десятилетие произошел огромный прогресс в их развитии благодаря использованию технологий, разработанных для других видов техники.
В 2019 г. на предприятии запущен проект по созданию новых моделей дорожных катков. Затраты на проведение НИОКР в рамках данного проекта субсидируются Минпромторгом РФ. Эти катки будут полностью сопоставимы с машинами ведущих иностранных производителей.
Принцип использования электронных систем для измерения и оценки результатов уплотнения материалов катком в строительной отрасли восприняли довольно поздно по сравнению с другими областями техники. Однако в настоящее время владельцы дорожных катков уже убедились, как удобны и выгодны эти понятные и простые в использовании системы интеллектуального контроля.
Специалисты Caterpillar разработали «умную систему» для двухвальцовых катков, названную Automatic Adjustable Compaction (AAC), которая регулирует уплотняющее усилие, чтобы при каждом проходе каток выполнял уплотнение материала с оптимальной эффективностью: первые проходы выполняются с максимальным уплотняющим усилием, чтобы как можно скорее увеличить степень уплотнения материала, а затем уплотняющее усилие уменьшается, чтобы избежать переуплотнения и разрушения покрытия, т. е. обеспечить уплотнению покрытия наивысшее качество.
Чтобы реализовать эту важную оптимизацию усилия уплотнения, оператору достаточно выполнить очень простую настройку: выбрать режим автоматического управления, активировать механизм уплотнения и направить каток по нужной траектории.
Caterpillar продолжает работу по совершенствованию систем управления катков так, чтобы управление оставалось для оператора интуитивно простым и он мог сосредоточить все свое внимание на том, чтобы направлять каток по ровной траектории.
Наиболее широко технологии интеллектуального контроля уплотнения применяются в Европе, и особенно в Скандинавии, популярность этих систем постоянно растет.
Усовершенствования интеллектуальных систем. Совершенствование технологии «интеллектуального контроля уплотнения» продолжается и в наше время, и использование ее становится все более выгодным и удобным.
В современных дорожно-строительных машинах все большую востребованность имеют системы документирования, позволяющие вносить в проект строительства данные о параметрах техпроцесса и результатах работ техники с привязкой к GPS-координатам. Это соответствует наметившемуся тренду на внедрение BIM-технологий (BIM – Building Information Model или Modeling, англ., «информационная модель сооружения» – это цифровая база данных о сооружении или строительном проекте, управляемая с помощью компьютерной программы или комплекса программ) в дорожном строительстве и позволяет интегрировать машины в процесс цифрового моделирования объекта.
Компоненты, которые превращают асфальтовые дорожные катки в «интеллектуалов», это высокоточные системы навигации GPS/ ГЛОНАСС, помогающие машине ориентироваться на местности, инфракрасные датчики для определения температуры асфальтового слоя, акселерометры для получения данных по вибрации и наконец, цветной экран монитора, на котором в режиме реального времени представляется вся важная информация для оператора.
Термин «интеллектуальный контроль уплотнения» (т. е. электронное управление процессом уплотнения) охватывает сегодня широкий ряд технологий. Наиболее простые системы подсчитывают число выполненных машиной проходов и измеряют степень уплотнения материала, значения отображаются на указателе со светодиодами.
Компания BOMAG разработала ряд инноваций для усовершенствования и автоматизации процесса дорожного строительства. BOMAG одной из первых внедрила инновационное решение в сфере контроля за уплотнением – ECONOMIZER, измерительную систему, обеспечивающую непрерывный контроль за процессом уплотнения в режиме реального времени. Как показывает ее наименование, система ECONOMIZER помогает экономично и правильно выполнять работы по уплотнению, избегая недо- и переуплотнения материалов, экономя средства за счет сокращения расхода топлива, рабочего времени и износа оборудования.
На дисплее машины оператор видит простую шкалу, количество делений на которой увеличивается по мере приращения несущей способности поверхности, таким образом оператор получает в простейшем виде обратную связь от процесса уплотнения. Эта простая для использования система, за которой стоят годы научно-исследовательской работы, позволяет обойтись без лишних проходов, тем самым достичь значительной экономии времени, топлива и моторесурса машины, а также позволяет существенно повысить качество работ. Недоуплотнённые участки теперь на виду, оператор их с лeгкостью обнаружит и устранит. Переуплотнения легко избежать, наблюдая за шкалой, а отдельный индикатор сообщит оператору о том, что вибрирующий валец катка работает в режиме отскока, т.е. жёсткость поверхности достаточно высока, энергия уплотнения уже не усваивается поверхностью и есть риск разрушения минерального скелета материала.
В модельном ряду компании BOMAG присутствуют катки с уникальной интеллектуальной системой контроля уплотнения BOMAG ASPHALT MANAGER. Эта система сочетает измерительную систему и направленный вибратор с автоматически изменяемой эффективной амплитудой. Такие машины имеют преимущества вибрации и осцилляции и могут с успехом заменить осцилляционный каток, ведь принцип воздействия на материал направленного вибратора, работающего в горизонтальной плоскости, очень схож с классической осцилляцией, и эффект такого вибратора на практике ничем не отличается от эффекта осцилляции.
Самым современным решением в области документирования является BOMAP Connect. Благодаря этой системе, информация о количестве проходов, степени уплотнения, температуре асфальтобетона доступна оператору на экране его планшета или смартфона, с привязкой к местоположению. Для этого используется штатный GPS приёмник мобильного устройства или, при необходимости получить более высокую точность геолокации, дополнительная GPS антенна.
Приложение BOMAP просто скачивается из Google play, обмен данными между машиной и мобильным устройством осуществляется через Bluetooth интерфейс.
Также исчерпывающая технологическая информация транслируется в облачный сервер и за работой катков можно наблюдать в режиме реального времени из любой точки мира.
Благодаря функции BOMAP Connect оператор каждого катка видит на своём экране не только своё местоположение и результаты работы, но и результаты и местоположение других катков, работающих с ним.
Более совершенные системы выполняют три основные функции: измерение степени уплотнения материала, геопозиционирование и анализ данных. Эти данные предоставляются оператору в реальном времени на цветном дисплее, а также архивируются интеллектуальной системой для анализа и составления отчетов. Такая система может предупредить о наличии под землей скрытых объектов, способных повлиять на качество уплотнения. При наличии на катке системы навигации GPS/ ГЛОНАСС можно получить карту распределения плотности по всему участку, что дает возможность провести не точечный, а сплошной контроль качества уплотнения каждого слоя.
Одним из ключевых продвинутых технологических решений Ammann является система интеллектуального контроля уплотнением Ammann Compaction Expert (ACE).
С момента ее появления в 1998 г. система ACE непрерывно совершенствовалась. Это единственная система на рынке, которая автоматически регулирует амплитуду и частоту исходя из характеристик грунта.
Система ACE может устанавливаться на грунтовые и асфальтовые катки, а также на некоторые виброплиты. Проверяя степень уплотнения и предотвращая чрезмерное уплотнение, система ACE существенно повышает качество работы, позволяет исключить лишние проходы и повысить эффективность.
Система ACE модифицируется в зависимости от типа и размера машины. Версии ACEforce и ACEpro устанавливаются на более тяжелые машины, а версия ACEecon – на некоторые модели грунтовых катков, траншейные катки и тяжелые реверсивные виброплиты.
Базовая версия системы ACEecon информирует о процессе уплотнения при помощи светодиодных индикаторов. В данном случае она не подтверждает, что достигнута заданная степень уплотнения, а только сообщает о том, что уплотнение еще производится, но при этом показывает значение частоты вибрации и предупреждает о двойных прыжках вальца.
Система ACEforce непрерывно измеряет степень уплотнения и присваивает процессу конкретные значения, которые отображаются в цифровом виде. Эта версия точно измеряет и оценивает жесткость материала и способна подтвердить достижение требуемой степени уплотнения. Кроме того, система ACEforce позволяет анализировать данные через систему документирования Ammann Documentation System (ADS).
ACEpro – это совершенная версия системы контроля степени уплотнения. Она не только измеряет степень уплотнения и позволяет анализировать данные через систему документирования ADS, но и гарантирует постоянную регулировку амплитуды и частоты вибрации как в ручном, так и в автоматическом режиме и регистрацию рабочих данных. Обе версии системы, ACEforce и ACEpro, совместимы с системами GPS всех крупных производителей для обеспечения возможности картографирования и помощи оператору.
Ammann также предлагает версии ACEforce+ и ACEpro+ (ACEplus), где объединены система измерения и регулировки параметров уплотнения ACE и система навигации. На графическом дисплее отображаются данные о работе по уплотнению на строительной площадке, что позволяет быстро и надежно проводить анализ рабочих параметров. Система позволяет производить измерение и регистрацию различных параметров уплотнения, таких как значение жесткости kB (несущая способность материала), тенденция изменения значений kB, температура, состояние вибрации, скорость катка, эффективная амплитуда и частота, счетчик проходов, точное географическое положение, дата и время, а также позволяет производить обмен данными между машинами.
Ammann предлагает своим клиентам телематическую систему управления оборудованием Ammann ServiceLink. Эта универсальная система предоставляет в распоряжение оператора ключевые данные по легкому оборудованию, тяжелым каткам и асфальтоукладчикам. Система Ammann ServiceLink отслеживает местоположение машин, их наработку, расход топлива и время простоя и прочие важные параметры, а также позволяет планировать и управлять интервалами технического обслуживания. Благодаря этим сведениям не только гарантируется бесперебойная работа техники, но и открываются возможности для повышения производительности.
Телематика. Теперь уже нет нужды скачивать данные по уплотнению с бортовой системы на флешку. Современные катки оснащаются телематической аппаратурой, передающей данные на центральный компьютер методами беспроводной связи и способной поддерживать связь с облачными системами хранения данных. Телематическая аппаратура обеспечивает взаимодействие между собой нескольких катков, работающих на одной строительной площадке, передает сведения о работе одного катка операторам других катков, включая общий подсчет проходов, выполненных всеми катками, и также дает возможность удаленного доступа к этой информации с компьютеров в центральном офисе компании и с телефонов и планшетов.
В 2019 г. компания JCB выпустила серию двухвальцовых вибрационных дорожных катков СТ на сочлененной раме для уплотнения асфальтовых смесей и инертных материалов. Машины в стандартной комплектации оснащаются телематической системой JCB LiveLink, которая в режиме реального времени предоставляет оператору и руководству компании-владельца все основные параметры работы катка, данные о его местоположении, составляет аналитические отчеты и диагностирует неисправности.
Мод. СТ260-120 массой 2560–2740 кг оснащается двигателем мощностью 18,2 кВт и интеллектуальной системой контроля уплотнения. Оператор может устанавливать три режима вибрации на каждый валец по отдельности. Привод гидростатический с насосом переменного объема, смещение вальцов – до 60 мм, частота вибрации – 50/66 Гц, амплитуда – 0,51 мм, ширина уплотняемой полосы – 1200 мм, рабочая скорость – до 10 км/ч
В грунтовых катках JCB доступен COMPATRONIC – прибор для контроля за уплотнением в режиме реального времени. COMPATRONIC помогает экономично и правильно выполнять работы по уплотнению, избегая недо- и переуплотнения материалов, экономя средства за счет сокращения расхода топлива, рабочего времени и износа оборудования.
На дисплее машины оператор видит простую шкалу 0–100, количество делений на которой увеличивается по мере увеличения несущей способности поверхности, а также установленную частоту вибрации. Недоуплотненные участки оператор видит в режиме реального времени. Переуплотнения легко избежать, наблюдая за шкалой, а отдельный индикатор сообщит оператору о том, что вибрирующий валец катка работает в режиме отскока «JUMP», т.е. жесткость поверхности достаточно высока, энергия уплотнения уже не усваивается поверхностью, и есть риск разрушения материала.
Как измеряют уплотнение
Специалисты называют ряд параметров, которые следует знать в режиме «реального времени» при уплотнении асфальтовой смеси катком. Первое – температура асфальтовой смеси: асфальт может быть слишком горячим или слишком холодным, и уплотнить его должным образом не удастся. Второе – это жесткость. Конечно, любой руководитель работ хотел бы задать оператору катка точное значение степени уплотнения материала, чтобы получить необходимую жесткость, но при современном уровне техники это невозможно. Третье – скорость, с которой должен двигаться каток. Четвертое – количество проходов, которые должен выполнить каток, чтобы обеспечить необходимую жесткость материала. И т. д.
Температура асфальтовой смеси. Температуру поверхности асфальтового слоя измеряют датчики температуры, установленные на катке. Эти датчики входят в состав интеллектуальной системы контроля уплотнения. Уплотнение материала можно производить только в определенном температурном диапазоне. Поэтому во время работы катка для достижения заданной плотности оператору важно и полезно получать в режиме реального времени значения температуры асфальтовой смеси.
Кроме того, показания температурных датчиков используются интеллектуальной системой контроля уплотнения для анализа режима работы. Например, привезенная асфальтовая смесь может иметь слишком низкую температуру, и система контроля уплотнения при расчетах уменьшит время, в течение которого должно быть выполнено уплотнение.
Жесткость и плотность (степень уплотнения). Интеллектуальная система контроля уплотнения может измерять результат уплотнения материала в единицах жесткости или плотности. Следует понимать принципиальное различие между жесткостью и плотностью.
Жесткость (или прочность) является мерой несущей способности слоя материала, то есть его способности сопротивляться деформации под действием нагрузки. Плотность – это мера пористости материала, то есть чем меньше пустот и пор в материале, тем больше его плотность.
Большинство специалистов дорожно-строительной отрасли считают, что между жесткостью и плотностью существует прямое соотношение. Изменение жесткости показывает, как изменилось плотность асфальта. Таким образом, измерение жесткости позволяет оценивать плотность материала прямо в процессе уплотнения. Некоторые специалисты даже высказывают мнение, что жесткость материала лучше характеризует качество уплотнения, чем плотность.
Чтобы измерить жесткость, на оси вибрирующего вальца устанавливается акселерометр так, чтобы он был вне действия амортизаторов вибрации и показывал реальные значения. Акселерометр измеряет ускорение вибрирующего вальца, когда он отскакивает от уплотняемого материала – чем жестче становится материал, тем больше ускорение отскока. Датчик генерирует сигнал, который обрабатывается электронной системой. Система рассчитывает, какая часть ударной энергии, прикладываемой вибрирующим вальцом к уплотняемой поверхности, отражается при обратном отскоке вальца.
Например, когда материал не уплотнен, в мягком материале абсорбируется большая часть приложенной ударной энергии вальца, и акселерометр измеряет мало отражающейся энергии. Когда материал уплотнен, он жесткий, и акселерометр фиксирует большое количество энергии, отражающейся от поверхности твердого материала обратно на валец, а интеллектуальная система контроля уплотнения «понимает», что материал уплотнен.
Интеллектуальная система контроля уплотнения представляет результаты расчетов на экране монитора, и оператор может сравнить их с проектным заданием. Оператор может видеть на экране цветную карту-схему участка, на которой в режиме реального времени отчетливо видно, насколько равномерно выполнено уплотнение асфальта. Интеллектуальная система «подсказывает» оператору, где уплотнение выполнено неправильно, и непрерывно контролирует качество уплотнения данного слоя асфальта.
Этот метод оценки степени уплотнения, основанный на измерении величины отскока вибрирующего вальца от поверхности материала в вертикальном направлении, также применяется в грунтовых катках с гладкими вибровальцами и в катках, работающих на мусорных полигонах. Когда показания акселерометра перестают изменяться, это означает, что необходимая плотность достигнута.
Конечно, у дорожников имеется ряд традиционных методов и приборов для измерения плотности асфальтобетонных покрытий и других материалов, которые уплотняются катками. Но если строители ориентируются только на показания этих традиционных методов измерения, они не могут оценить несущей способности уложенного дорожного покрытия. Более точные и надежные результаты работы катка получаются, когда используются несколько методов измерения: и традиционные, и система «интеллектуального контроля уплотнения», непрерывно в процессе уплотнения измеряющая жесткость, т. е. несущую способность покрытия.
Показатель CMV. Большинство «интеллектуальных систем», представленных на рынке, измеряют степень уплотнения асфальта в безразмерных единицах CMV (Compaction Measurement Values). CMV рассчитывается на основе анализа спектра вертикальных ускорений вибровальца за два цикла вибрации.
CMV измеряет относительную несущую способность материала, то есть жесткость (или прочность) материала. Оператор катка может видеть на экране монитора ряд значений в единицах CMV, которые постепенно увеличиваются по мере того, как уменьшается количество и объем пустот в уплотняемой асфальтовой смеси. Этот ряд чисел не является непосредственно значениями плотности материала, но увеличивается пропорционально увеличению плотности асфальта с каждым проходом катка. Целью работы оператора является достижение значения показателя CMV, указанного в проектном задании.
Чтобы определить соотношение между показателем CMV и плотностью, перед началом работы необходимо выполнить тарировку при движении катка по специальной образцовой полосе материала, уже уплотненной до заданной в проектной документации плотности и измеренной другими средствами. Тарировочную величину CMV оператор затем использует в качестве образцовой при уплотнении материала. Если хотя бы один из параметров изменится (толщина уплотняемого слоя, температура материала, состав нижнего подстилающего слоя и т. д.), соотношение CMV и плотности будет уже некорректным и тарировку нужно выполнять заново.
Перед началом работы оператор также может определить, какое количество проходов будет необходимо выполнить, проделав тестовое уплотнение асфальтовой смеси на небольшом участке. Зная требуемое количество проходов и площадь, на которой необходимо уплотнить материал, нетрудно подсчитать, какое время потребуется на выполнение этой работы.
Другие методы измерения. В других методах измерения степень уплотнения измеряется по величине мощности, затрачиваемой на привод механизмов катка, уплотняющего грунт, иными словами, измеряется сопротивление движению катка – чем тверже поверхность, тем легче катку двигаться. Измеряется мощность, которую вырабатывает двигатель. Чаще всего таким способом измеряется степень уплотнения грунта или отходов на мусорных полигонах.
Анализ спектра виброускорений положен также в основу расчета другой характеристики уплотнения: «резонансного показателя уплотнения» RMV (Resonance Meter Value), называемого еще также BV (Bouncing Value). По мере того как материал уплотняется, вибрирующий каток начинает все больше повторно отскакивать от поверхности после удара. Степень повторного отскока определяется величиной RMV.
Для осцилляторных катков применяются системы непрерывного контроля уплотнения грунта на основе показателя OMV (OscilloMeter Value), являющегося аналогом CMV. Показатель OMV анализирует горизонтальное ускорение оси осциллирующего вальца.
На сегодняшний день наибольшее распространение получили системы непрерывного контроля уплотнения на основе показателей CMV и RMV. С одной стороны, такие системы непрерывного контроля результатов уплотнения удобны. Однако эти системы имеют и общий существенный недостаток: они измеряют не прочностные свойства уплотняемого материала, а косвенные показатели. Чтобы оценить способность уплотняемого материала сопротивляться действию нагрузок, нужно тарировать и рассчитывать соотношение CMV и RMV с реальной жесткостью и плотностью материалов.
