Еднобандажните валяци

Колко е важна основата на пътя?

Качествено и равномерно уплътняване още от самото начало на земните работи осигурява товароносимостта, стабилността и устойчивостта на цялата пътна конструкция в дългосрочен план. Ето защо ролята и действието на еднобандажните е от изключително значение.

Еднобандажният валяк е много популярна машина в пътното строителство. Различните производители предлага богато разнообразие от модели с работни маси от 5 т до 25 т. В България най-предпочитани са еднобандажните валяци с маси 16, 18 и 20 т. Принципно това е самоходна машина със съчленено шаси, съставено от предна и задна рама, и съответно шарнирна връзка между тях, която осигурява завиването. Предпочита се хидростатичното задвижване заради подаваната по-голяма теглителна сила и възможността за по-лесно изкачване на стръмни наклони (хидромотори задвижват колелата и бандажа). Върху задната рама са разположени дизеловия двигател, основни компоненти на хидравличната система и кабината с уредите за управление.

Предната рама е предназначена основно за бандажа, който представлява стоманен цилиндър с дебелина на стените например 40-45 мм при 18-тонните модели. Вътре в него са вместени компонентите, които по хидравличен път генерират необходимата динамика на вибрацията или осцилацията със съответните честоти и амплитуди. Често като опция се предлага и гребло за разстилане на материал, монтирано към рамата пред самия бандаж.

В зависимост от изпълняваната работа днес се използват три вида бандажи. Най-популярният вид са с напълно гладка повърхност. Те са подходящи за повечето видове земни и скални насипи. В този случай частиците реагират на вибрацията на гладкия бандаж, като се пренареждат по големина много плътно една до друга. Така се получава много добро уплътняване и повърхност с достатъчно голяма коравина (устойчивост на деформации) за изпълнение на следващите дейности.

От своя страна профилираните бандажи се отличават с множество изпъкнали елементи във формата на пресечена пирамида с квадратно чело или на пресечен конус с кръгло чело. Специализираният бандаж може да бъде произведен фабрично с такава повърхност или върху гладкия бандаж могат да се монтират допълнителни сегменти, които приличат на големи стоманени черупки.

Профилираните бандажи се използват за уплътняване на глинести почви и въобще при земни работи в много кален терен (високо съдържание на вода в почвата). При такива условия те осигуряват бързо постигане на необходимата степен на компактиране, отлично сцепление с повърхността и бързо придвижване без големи сътресения. Най-добро уплътняване на тежки терени с голямо водно съдържание в почвата се постига с изпъкналите елементи с кръгло чело.

През последните 5-6 години в Германия набира скорост използването на бандажи с функции за трошене и уплътняване. По тяхната повърхност са разположени стоманени остриета за разтрошаване на едри скални фракции, а валякът е с работна маса 25 т. Тези остриета, общо 150, много приличат на ножовете на фрезите за асфалт. Специфичното тук е, че при включена вибрация силата на натиск на върха на ножа е 50 т. Така при разстилане на взривена скална маса с големина на фракцията 0-400/500 мм специализираният бандаж разтрошава скалните късове на по-малки парчета и едновременно с това ги уплътнява в съвсем равномерен слой.

По изчисления на немски пътностроителни фирми общите разходи от добиването на скалната маса до уплътняването й се намаляват с около 50% по тази технология. В единия случай пътят на материала включва добив, товарене, транспортиране, зареждане на бункера на трошачката, трошене, товарене, транспортиране до обекта, разстилане и уплътняване. А във втория - добив, товарене, транспортиране до обекта, разстилане с булдозери и използване на валяка със специализирания бандаж за разтрошаване и уплътняване. За безопасното придвижване на такава специализирана машина, в т.ч. при товаренето и разтоварването й на ремарке, върху бандажа с ножовете се монтират стоманени обръчи (сегменти), които елиминират всякаква възможност за повреждане на чувствителните повърхности.

Съчленяващата връзка, съединяваща предната и задната рама на еднобандажния валяк и осигуряваща неговото завиване, може да изглежда като един малък второстепенен компонент, но реално той може да има голямо значение за производителността и качественото изпълнение на уплътняването. Различните производители имат свои варианти, но сред тях най-добри резултати се постигат чрез триточково съчленяващо съединение. В долната му част има една шарнирна връзка, а в горната са две, разположени в двата края на свързваща щанга. Дизайнът му е малко по-сложен, но притежава необходимата издръжливост и гарантира максимална стабилност на валяка както по неравен терен, така и в завой.

От една страна специфичната му конструкция елиминира повдигането на кабината на валяка при преминаването на част от бандажа върху неравност, което осигурява високо ниво на комфорт на оператора и намаляване на умората по време на дългата смяна. От друга страна тя позволява запазване на оптимално разпределение на масите на машината в различни работни условия и съответното равномерно уплътняване на терена - това е най-критично при по-голям напречен наклон. При остър завой, например наляво, машини, оборудвани с по-обикновена шарнирна връзка, може да оставят твърде дълбок отпечатък от задното дясно колело върху уплътнения земен насип и така да компрометират в някаква степен качеството на вече обработения участък. По-опростеното съчленяване предполага и по-голям риск от преобръщане на валяка, когато машината е под наклон и в завой, ако операторът не внимава достатъчно.

Технологии за динамично уплътняване
Най-използваната днес технология за динамично уплътняване е чрез вибрация на бандажа. В общия случай се използва един вал с две дебалансиращи тежести, чието въртене принуждава бандажа да се движи нагоре и надолу и да се удря в повърхността с висока скорост. В съвременните еднобандажни валяци се залагат стандартно по две честоти на вибрация. Например при 18-тонните модели едната честота е 26-27 Хц с амплитуда 2-2,1 мм и центробежна сила 328-331 кН, а другата - 30-31 Хц с амплитуда 1,2 мм и центробежна сила 242-266 Хц. Използването на конкретната честота зависи от вида на насипания материал и степента на неговото уплътняване.

Вибрацията от една страна осигурява бързо и високопроизводително уплътняване на повърхността, но от друга, нейните вълни се предават на голямо разстояние, а това може да е опасно за близко разположени сгради, тръбопроводи, жп линии и др. подобни, които могат да се повредят в по-малка или по-голяма степен (напукване, разместване и т.н.). Тези потенциални проблеми се елиминират с една малко по-сложна технология - осцилиране.

При осцилиращия бандаж два дебалансирани вала се въртят в синхрон, задвижвани от зъбен ремък. Дебалансиращите тежести са разположени на 180° една спрямо друга. В резултат бандажът извършва бързо редуващи се въртящи движения напред и назад. Така той насочва силата на уплътняване към повърхността тангенциално напред и назад под формата на напречни сили. Тук, за разлика от вибриращите бандажи, силата на уплътняване действа постоянно върху повърхността, защото осцилиращият бандаж е в постоянен контакт с настилката. Днес водещите производители на еднобандажни валяци предлагат версии, комбиниращи в един бандаж и двете системи - вибрация и осцилация. Операторът може да избере коя да използва в зависимост от работните условия.

В помощ на еднобандажния валяк
Когато земната маса, подлежаща на обработка, е рохка или гранулообразна, вибрацията на бандажа уплътнява слабо и по-точно размества в посока нагоре частиците на горния слой - той остава недопуплътнен. Поради това операторът на валяка е принуден да мине през дадения участък не два или три, а поне 4-5 пъти (последните проходки се правят със статичен бандаж), което понижава производителността и повишава разхода на гориво.

За постигане на максимална ефективност при големи обекти в пътното строителство се предлагат прикачни системи от вибриращи плочи за монтаж отзад на еднобандажен валяк. Силата, произвеждана от двата противоположно въртящи се ексцентрични вала на всяка плоча, се концентрира на 100% вертикално надолу и се прилага единствено и само за компактиране. С такава конфигурация се уплътнява по най-добрия начин както долния, така и горния слой на повърхността. При това тази допълнителна инвестиция съвсем не е голяма в сравнение с някои от разгледаните по-горе технологии.

Трябва да се отбележи, че валякът работи при ниска честота (около 30 Хц) и висока амплитуда, докато при плочите висока е честотата (60 Хц), а амплитудата е ниска. Това оптимално съчетаване на сили на уплътняване с различни посоки и честоти осигурява забележително подобряване на резултатите от компактирането в сравнение с тези получени от последователно извършване на същите операции само с валяк. С едно минаване на валяка с монтирани отзад хидравлични плочи се постига степен на уплътняване, която е 4-5 пъти по-голяма в сравнение с едно минаване на машината без плочите, т.е. това съчетание позволява необходимата плътност на насипа да се постигне дори от първия път.

Системи за измерване на уплътняването
Възможността за измерване на степента на уплътняване при съвременните еднобандажни валяци е ключов фактор за постигане висока производителност и ефективност. Най-популярната система днес се базира на ускорението на вибриращия бандаж (акселерометрия) в процеса на вкоравяването (устойчивостта на деформация) на настилката по време на уплътняването - при някои производители се обозначава като EVIB, измерван в МН/кв. м. Системата за измерване използва следната взаимовръзка: с увеличаването на коравината на настилката се повишава и ускорението на бандажа.

Разчита се на един или два сензора за измерване на ускоряването и от тези данни се определя ефективната контактна сила между настилката и бандажа. Когато контактната сила се отнесе към посоката на отклонение на бандажа по време на вибрацията, се получава крива на натоварване и разтоварване за всеки оборот на дебалансиращата тежест вътре в бандажа. Показателят EVIB се получава от анализа на кривата на натоварване, тъй като тя корелира с коравината на настилката. Измерването на уплътняването на настилката по този начин има един недостатък. То е възможно, само докато е включена вибрацията. Ако тя е изключена или се работи само с осцилиране на бандажа, се получават пропуски в измерването, които се „виждат“ като липса на данни в документираната работа.

Друга система, специално разработена за валяци за почви, определя степента на уплътняване според промяната на съпротивлението при търкаляне на бандажа. Измерва се количеството енергия, необходимо на машината, за да премине по обработваната повърхност. Колкото повече енергия се изразходва, толкова по неуплътнен е материалът и обратно. Тъй като се отчита необходимата енергия за завъртане на бандажа, тази система не изисква задължително включване на вибрацията, за да се направи самото измерване - тя може да е включена или изключена. В това отношение може да се каже, че тази система превъзхожда предната. Още повече, че акселерометричната система се използва само за гладки бандажи.

Когато се валират глинести или друг вид лепкави почви с профилиран бандаж, те по своето естество намаляват в някаква степен предаването на енергия чрез вибрация, а и заклещените между изпъкналите елементи лепкави буци добавят нова неизвестна величина в уравнението. Това е проблем за акселерометрията, но чрез отчитане на енергията за преодоляване на съпротивлението при търкаляне на бандажа, степента на уплътняване може да се измери съвсем ефективно. Така тази система е подходяща за всички видове насипани материали, а също и за гладките, и за профилираните бандажи.

Един от най-съвременните методи, който се появи неотдавна на пазара, е измерване на степента на уплътняване според промяната на резонантната честота при взаимодействието на вибриращия бандаж и насипания материал. Респективно при валирането работната честота на бандажа се променя постоянно според резонантната. Тази система използва известните в природата взаимодействия между материалните частици в случай на сблъсък или на сътресение със съответните хармонични честоти и амплитуди. Освен честотата, в процеса на уплътняване се регулира и амплитудата на бандажа съобразно амплитудата на движение на самия материал.

При всички видове системи е необходимо операторът в кабината да вижда на екран степента на уплътняване, което реално става чрез скали в различни цветове. Така той се ориентира за извършената работа с валяка, като системата му помага да избегне недопуплътняване или преуплътняване на обработваната повърхност.

Важен момент е документиране на извършената работа, за което има различни варианти. За целта някои съвременни производители предлагат дори безплатни приложения за смартфон или таблет. като GPS връзка не е необходима. Така и ръководителят, и операторите могат да разполагат с конкретната информация и доклади за изпълнението на даден участък, в т.ч. зададена степен на уплътняване, работна скорост, използваните честота и амплитуда на вибрацията, и др. В случая връзката между външното мобилно устройство и валяка става чрез Bluetooth.

Тук трябва задължително да се подчертае, че системите измерват степента на уплътняване само като насочваща, референтна величина - при някои производители са например в проценти. При приемането на обекта от съответния надзорен орган данните от извършените изпитания по одобрените за целта методи могат и да не съвпаднат съвсем точно с показанията на системите на валяците.

Електронни системи за управление
Електронните системи за управление на валяците се появиха в отговор на кризата с кадрите в пътното строителство, което доведе до наемането на все по-малко квалифицирани и неопитни оператори. Ето защо ролята на тези системи се състои в това да намали до минимум субективния фактор при работа с машината, в т.ч. автоматизация на по-малка или по-голяма част от функциите на машината. В резултат, съвременните еднобандажни валяци, оборудвани с такива системи, предлагат по-бързо и по-качествено уплътняване на обработваната повърхност, при значително намаляване на разхода на гориво - дори до 30%.

Електронната система за управление може да бъде разгледана като отделни свързани модули - например четири, приемащи определени входящи данни, на базата на които те управляват съответните работни процеси. Модулът, управляващ дизеловия двигател например, получава и обработва информация за скоростта на придвижването, натоварването на хидравличната система, вибрацията и сцеплението на колелата с терена. Освен това към него се изпращат данни, свързани директно с работата на дизеловия агрегат и отнасящи се до неговата експлоатация и поддръжка: температура на охлаждащата течност, третиране на изгорелите газове и др. подобни. Като резултантни действия този модул определя и контролира максималното натоварване, което може да поеме машината и - което е най-важно тук -регулира постоянно оборотите на двигателя според работните условия на обекта с цел оптимизиране на консумацията на дизел. Така се постига по-нисък разход на гориво, намаляване на амортизацията и съответно на разходите за поддръжка.

Модулът за придвижване и валиране използва постъпващите данни за скоростта и посоката на движение, зададени от оператора чрез уредите за управление в кабината, както и максималното натоварване, определено от модула за управление на двигателя. Обработвайки постъпващите данни, модулът за придвижване и валиране поема управлението на скоростта (може да се избере лимит за максимална скорост), посоката на движение и оптималното задействане на спирачната уредба, в т.ч. и аварийно спиране при необходимост. В резултат се постига поддържане на постоянна скорост, леко потегляне, внимателно спиране и смяна на посоката на придвижване, и съответно така желаното равномерно уплътняване с гладка финална повърхност.

От своя страна модулът за автоматично управление на сцеплението на колелата с повърхността приема данни като например сравнения на скоростта на въртене на бандажа и колелата на задния мост, в т.ч. сравнение на въртенето на лявото и дясното колело, а също и данни за наклона на повърхността, по която се движи машината. Елиминирайки буксуването на задните колела, този модул автоматично регулира параметрите на дизеловия двигател и задвижващите хидромотори. Постига се оптимална теглителна сила и възможност за ефективно изкачване на по-големи наклони.

Модулът за управление на честотата на вибрацията получава данни за зададените от оператора честота и амплитуда, както и за определеното максимално натоварване на валяка. Така този модул може да поддържа зададената честота, без значение какви са работните условия или степента на уплътняване, като автоматично изключва вибрацията при спиране на машината. Ако операторът е избрал автоматично управление на вибрацията, модулът регулира автоматично честотата според работните условия и степента на уплътняване.

При най-съвременните системи вместо две фиксирани честоти се влага безстепенно управляване на честотата на вибрацията, като при най-сложните честотата на бандажа се променя постоянно по хидравличен път на всеки 0,2 сек в зависимост от степента на уплътняване, а при постигане на желаната степен, вибрацията се изключва автоматично и свръхуплътняване не се допуска. А някои производители предлагат и системи за управление, автоматизация и картографиране с използването на сателитна връзка и две тотални станции на обекта - без необходимост от зареждане на дигитален проект в системата.