ВАЛЕЦ ВИБРАЦИОННОГО КАТКА
ROLLER OF VIBRATING ROLLER

Изобретение относится к дорожно-строительной технике и предназначено для уплотнения материалов, из которых возводят грунтовые и бетонные сооружения, такие как плотины, дороги, аэродромы, обратные засыпки котлованов, насыпи и т.п.
Известен вибрационный каток, содержащий пневмоколесный тягач с которым шарнирно соединена рама с прикрепленным к ней, посредством резиновых амортизаторов, вибровальцом выполненным в форме цилиндрической стальной обечайки внутри которой расположены дебалансы (эксцентрики) ось вращения которых, как правило, совпадает с геометрической осью вибровальца, вибрация которого вызванная вращением дебалансов передается уплотняемому материалу, в котором происходит переукладка частиц приводящая к повышению его плотности (Л. Форссблад. Вибрационное уплотнение грунтов и оснований. - Москва, Транспорт, 1987 г., С. 55-61).
Данный тип вибрационного катка наиболее рационален для уплотнения толстых до 2 м крупнообломочных материалов, где требуется интенсивная вибрация, которая и определяет его недостатки: дробление частиц материала, разуплотнение поверхностного слоя, распространение вибрации на десятки метров, что отрицательно влияет на близлежащие сооружения, низкая эффективность, которая определяется как затраты энергии на уплотнение единицы массы до заданной степени уплотнения.
Известен осцилляторный тип вибрационного катка, содержащий пневмоколесный тягач с которым шарнирно соединена рама с прикрепленным к ней посредством резиновых амортизаторов вибровальцом, выполненным в форме цилиндрической стальной обечайки, внутри которой расположены два дебалансных вала симметричных относительно оси вибровальца вращающимся в одну сторону со смещением дебалансов одного вала на 180° относительно дебалансов второго вала, в катке вибровалец совершает крутильные колебания вокруг геометрической оси, в результате чего на контакте поверхности вибровальца с уплотняемым материалом возникают горизонтально направленные касательные напряжения, более эффективно способствующие его уплотнению (М.П. Костельов. Новый способ уплотнения дорожно-строительных материалов. - Автомобильные дороги. 1991 г., №6, С. 13-15).
Недостатком осцилляторного вибрационного катка является меньшая уплотняющая способность по сравнению с вибрационным катком, так как интенсивность воздействия на уплотняемый материал ограничивается недопущением проскальзывания поверхности вальца по уплотняемому материалу и быстрым затуханием динамических касательных напряжений по глубине, вследствие чего осцилляторные вибрационные катки применяют в основном для укладки дорожных покрытий толщиной до 20 см.
Известен валец вибрационного катка, содержащий обечайку с набором упругих шин, заполненных водой, снабженную двумя оппозитно расположенными дебалансными валами, вращающимися в одном направлении, со смещенными на 180° эксцентриковыми массами и центральным дебалансным валом со смещенной на 90° по отношению к двум первым эксцентриковой массой (патент ПМ РФ №121260, МПК: Е01С 19/28, опубл. 20.10.2012 г.). В этой конструкции в одном вальце размещены возбудители круговых и крутильных колебаний. Причем круговые колебания генерируются центральным дебалансным валом, ось которого совпадает с осью вальца приводимым во вращение гидромотором, а крутильные колебания возбуждаются двумя дебалансными валами, закрепленными на ребрах вальца симметрично его оси. На концах этих валов закреплены одинаковые зубчатые колеса, входящие в зацепление с таким же зубчатым колесом, закрепленным на центральном валу.
По числу сходных признаков и достигаемому результату данное техническое решение выбрано в качестве прототипа заявляемого технического решения.
К недостаткам прототипа относится то, что круговые колебания вальца и его крутильные колебания, воздействуют на уплотняемый материал поочередно, кроме того при ориентации круговой возбуждающей силы близкой к горизонту возможно ослабление касательных усилий на контакте вальца с уплотняемым материалом, степень которого зависит от направления вращения вальца и скорости его перемещения. К тому же оснащение вальца упругими резиновыми шинами приводит к демпфированию колебаний, т.е. к снижению уплотняющей способности. Анализ поведения реологической модели материала, свойства которого определяются в основном коэффициентом внутреннего трения показывает, что максимальное снижение внутреннего трения под действием вибрации, благодаря которому происходит переукладка частиц уплотняемого материала и образование более плотной структуры, происходит при совместном воздействии на уплотняемый материал сдвиговых и нормальных напряжений динамическая и статическая составляющие которых находятся между собой в определенных соотношениях (В.Е. Кондаков. О вибрационном разжижении бетонной смеси при плоском напряженном состоянии. - Известия вузов, Строительство и архитектура, 1984 г., С. 55-60).
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, состоит в повышении эффективности т.е. снижении затрат энергии на уплотнение материала, в повышении производительности и снижении веса виброкатков.
Для достижения указанного технического результата валец вибрационного катка, содержащий вал, соединенный с возможностью вращения с вальцом и скрепленный с помощью резиновых амортизаторов с рамой катка, на валу вальца с возможностью вращения закреплены две пары дебалансных валов, оси которых перпендикулярны оси вальца таким образом, что оси первой пары дебалансных валов расположены в вертикальной плоскости, а оси второй пары симметричны линии проходящей по середине между осями первой пары дебалансных валов, концы которых оснащены одинаковыми большими зубчатыми колесами, входящими в зацепления друг с другом, концы дебалансных валов второй пары оснащены малыми зубчатыми колесами вдвое меньшего диаметра, чем в первой паре, одно из зубчатых колес второй пары входит в зацепление с зубчатым колесом нижнего дебалансного вала первой пары выше его оси, а другое входит в зацепление с зубчатым колесом верхнего дебалансного вала ниже его оси, при одинаковой горизонтальной ориентации дебалансов первой пары валов, дебалансы второй пары валов направлены вертикально в одну сторону.
Кроме того, заявляемое техническое решение имеет факультативный признак, характеризующий его частный случай, а именно:
- дополнительно на внешней поверхности обечайки вальца выполнены кольцевые выступы.
Отличительными признаками предлагаемой конструкции вальца от указанной выше известной, наиболее близкой к ней, являются оснащение вальца вибрационного катка двумя парами дебалансных валов оси которых перпендикулярны оси вальца таким образом, что оси первой пары дебалансных валов расположены в вертикальной плоскости, а оси второй пары симметричны линии проходящей по середине между осями первой пары дебалансных валов; оснащение концов первой пары дебалансных валов одинаковыми большими зубчатыми колесами, входящими в зацепления друг с другом; оснащение концов дебалансных валов второй пары малыми зубчатыми колесами вдвое меньшего диаметра, чем в первой паре; зацепление одного из зубчатых колес второй пары с зубчатым колесом нижнего дебалансного вала первой пары выше его оси; зацепление второго колеса второй пары с зубчатым колесом верхнего дебалансного вала ниже его оси, при одинаковой горизонтальной ориентации дебалансов первой пары валов; направление дебалансов второй пары валов вертикально в одну сторону.
Благодаря наличию этих признаков валец вибрационного катка совершает одновременные колебания в горизонтальном направлении вдоль оси вальца и вертикальные направленные колебания, более эффективно способствующие уплотнению. Наличие кольцевых выступов на внешней поверхности обечайки вальца повышает его сцепление с уплотняемым материалом, что позволяет повысить интенсивность воздействия, а следовательно и производительность вибрационного катка.
Предлагаемый валец вибрационного катка иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-4.
На фиг. 1 показано вертикальное сечение вальца вибрационного катка плоскостью параллельной его оси.
На фиг. 2 - сечение вальца вибрационного катка вертикальной плоскостью, перпендикулярной его оси и проходящей через его центр.
На фиг. 3 - рельеф поверхности обечайки вальца вибрационного катка с кольцевыми выступами.
На фиг. 4 - положение дебалансов в разных фазах вращения:
а - горизонтальная сила направлена влево, вертикальная - вверх;
б - горизонтальная сила направлена вправо, вертикальная вверх.
Валец вибрационного катка содержит первую пару дебалансных валов 1, вторую пару дебалансных валов 2, центральный вал 3, подшипники 4, один из которых радиальный, а другой упорный, крышку 5 (в количестве двух), обечайку 6, резиновые амортизаторы 7, раму вибрационного катка 8, большие зубчатые колеса 9, малые зубчатые колеса 10, кольцевые выступы 11.
Предлагаемая конструкция работает следующим образом.
При вращении дебалансных валов первой пары 1 и второй пары 2 с помощью гидро или электропривода (не показан на фигурах) возникают направленные горизонтальные, вдоль оси вальца, и вертикальные колебания. Удвоенная частота вертикальных колебаний обеспечивает одновременное их воздействие с горизонтальными колебаниями при изменении направления последних. Направленные горизонтальная и вертикальная вынуждающая силы прикладываются к центральному валу 3 и посредством подшипников 4 (упорных и радиальных) передается через крышки 5 вальца на обечайку 6.
Для устранения опрокидывающего момента, возникающего от взаимодействия горизонтальной силы и сопротивления уплотняемого материала по контакту с вальцом ось симметрии первой пары дебалансных валов 1 должна быть расположена ниже центра тяжести вальца, в этом случае возникает момент от пары сил: горизонтальная вынуждающая сила - инерционное сопротивление направленное против опрокидывающего момента. Плоскость, в которой расположены оси дебалансных валов 2, должна иметь минимально возможное отклонение от горизонта, для чего расстояние между не входящими в зацепление зубчатыми колесами большими 9 и малыми 10 должно приниматься минимально возможным исходя из конструктивных особенностей.
Если предлагаемый валец вибрационного катка не предназначен для получения гладкой поверхности уплотняемого материала, например, дорожного покрытия, то внешняя поверхность обечайки 6 может иметь рельефную поверхность образованную кольцевыми выступами 11, что повышает эффективность работы вальца.