ВОДОПЛАВАЮЩИЙ ОДНООСНЫЙ СКЛАДНОЙ САМОХОДНЫЙ ДОРОЖНЫЙ БОЛЬШЕГРУЗНЫЙ ГРУНТОУПЛОТНЯЮЩИЙ КАТОК С ИЗМЕНЯЕМОЙ ПЛОЩАДЬЮ КОНТАКТА И БЕССТУПЕНЧАТЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ, ЧАСТОТЫ КОЛЕБАНИЙ И ИХ НАПРАВЛЕНИЕМ, И ВАРИАНТЫ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
WATER FLOATING SINGLE-AXIS FOLDING SELF-PROPELLED ROAD HIGH-CAPACITY GROUND-COMPACTING COMPACTOR WITH ADJUSTABLE AREA OF CONTACT AND STEPLESS REGULATION OF MOTION SPEED, FREQUENCY AND DIRECTION OF OSCILLATIONS, AND VARIANTS OF ITS APPLICATION

Изобретение относится к области устройств, применяемых для послойного поверхностного уплотнения грунтов.
Известен «Дорожный самоходный каток», описанный в патенте №2024674, МПК: E01C 19/26, 1992 г., состоящий из рамы, силовой установки, гидромоторов, вибраторов и регуляторов потока жидкости.
Недостатком его является сложность конструкции.
Известен «Каток», а.с. №1794123, МПК: E01C 19/26, 1991 г., состоящий из закрепленной на оси обечайки с отверстиями и решетками.
Недостатком этого устройства является то, что для передвижения катка необходим тягач.
Известен «Способ динамического уплотнения грунтов и материалов катками (варианты) и устройство для его осуществления», патент №2405881, МПК: E01C 19/28, 2006 г., состоящий из двух секций вальцов и грузов, вращающихся на кривошипном вале.
Недостатком его является то, что при значительном весе конструкции (более 30 т) из-за невозможности регулирования площади контакта происходит выжимание уплотняемого материала из-под вальцов.
Известен «Каток дорожный самоходный», патент на полезную модель №58553, МПК: E01C 19/26, 2006 г., состоящий из рамы, силовой установки и двух вальцов, выполненных металлическими и пневмошинными.
Недостатком этого устройства является то, что оно не изменяет площадь контакта вальцов с грунтом в процессе работы.
Наиболее близким по устройству является «Уплотнительный каток для гражданского строительства», патент №2412306, МПК: E02D 3/026, 2006 г., состоящий из множества секций с жидкостными камерами, составляющих корпус катка и насосных средств, перекачивающих жидкость из одной камеры в другую.
Недостатком этого устройства является то, что он не производит динамическое уплотнение грунта.
Устройств, позволяющих в процессе работы изменять площадь контакта с грунтом и бесступенчато регулировать скорость движения, частоту колебаний и направление их усилий, а также создавать большие давления на грунт, быть транспортабельными и способным плавать, не выявлено.
Задачей и техническим результатом изобретения является изменение площади контакта с грунтом в процессе работы, бесступенчатое регулирование частоты колебаний в широком диапазоне, бесступенчатое изменение направления усилий колебания и бесступенчатое изменение скорости передвижения, уменьшение транспортного веса и габаритных размеров перевозимого катка.
Поставленная задача и, как следствие, технический результат достигается тем, что валец катка состоит из оболочки, в которой находится газ и жидкость. На оболочке может быть закреплена сменная защитная обечайка с грунтозацепами. Внутри оболочки установлены ковши, состоящие из ребер, выполненных в виде П-образной формы со стенками и гибким плавающим дном, и реверсивный насос, приводящий во вращение жидкость. В качестве насоса могут быть использованы электроды постоянного тока, меняющие свою полярность или электрогидравлические ударные камеры прямого и обратного хода. Оболочка может быть разделена перегородкой на две части или состоять из двух частей, шарнирно связанных между собой, или иметь растягивающуюся гибкую середину. Каток снабжен системой слива и залива жидкости в оболочку, системой подачи давления газа в оболочку и системой подачи электрического тока. В катке могут быть установлены вибраторы в газовой и жидкой среде. Каток может быть снабжен дугообразной опорой и защитным настилом, укладываемыми на уплотняемый грунт.
Техническим результатом изобретения является новое свойство устройства: широкий диапазон уплотнения грунтов с различной несущей способностью (от болот до скальных насыпей), создание значительных усилий уплотнения на единицу ширины уплотняемой полосы, а также создание возможностей для выбора эффективных параметров уплотнения грунтов в процессе работы и снижение затрат на эксплуатацию и транспортировку катка.
Изобретение поясняется чертежами, где:
На фиг. 1 - изображена схема движения катка при уплотнении грунта, вид сзади.
На фиг. 2 - изображена схема движения катка при уплотнении грунта, вид сбоку.
На фиг. 3 - изображена схема устройства вальца катка при высоком давлении газа внутри и меньшей площади контакта с уплотняемым грунтом с вращением жидкости при помощи реверсивного насоса.
На фиг. 4 - изображена схема устройства вальца катка при низком давлении газа внутри и большей площади контакта с уплотняемым грунтом с вращением жидкости при помощи реверсивного насоса.
На фиг. 5 - изображена схема устройства вальца катка, вращение жидкости в котором создается при помощи вращающихся лопастей.
На фиг. 6 - изображена схема устройства вальца катка, вращение жидкости в котором создается при помощи электрогидравлических ударов (эффект Юткина Л.А.).
На фиг. 7 - изображено устройство вальца катка, вращение жидкости в котором создается при помощи движения соленой воды между электродами.
На фиг. 8 - изображено устройство вальца катка, не полностью заполненного жидкостью (плавающего вальца катка), движение которого создается при помощи заполнения ковшей водой.
На фиг. 9 - изображено устройство ковша заполненного водой.
На фиг. 10 - изображено устройство ковша, готового к заполнению водой.
На фиг. 11 - изображено устройство ковша без воды.
На фиг. 12 - изображено устройство ковша при подъеме из воды.
На фиг. 13 - изображен вариант устройства ковша из стенок, выполненных из гибкого плавающего материала.
На фиг. 14 - изображено устройство катка с прикрепленной к оболочке сменной броней.
На фиг. 15 - изображена схема шарнирного скрепления броневых полос, используемых при уплотнении крупнообломочных пород.
На фиг. 16 - изображена схема уплотнения крупнообломочных пород путем закрытия их настилом из броневых полос, шарнирно скрепленных между собой.
На фиг. 17 - изображена схема установки в неразделенной полости оболочки двух насосов, заставляющих поворачиваться каток за счет неравномерного или противоположного вращения жидкости в концах оболочки вальца катка.
На фиг. 18 - изображена схема разделения внутренней части оболочки на две части для облегчения поворота катка.
На фиг. 19 - изображено устройство вальца катка, состоящего из двух оболочек, которые для облегчения поворота катка соединены между собой шарниром.
На фиг. 20 - изображена схема поворота вальца катка путем подкладывания под один конец дугообразной опоры.
На фиг. 21 - изображена схема поворота вальца, полость которого внутри разделена перегородкой на две части путем перекачки жидкости из одной полости в другую.
На фиг. 22 - изображена схема поворота вальца катка путем уменьшения диаметра одного конца при помощи бандажа.
На фиг. 23 - изображена схема поворота вальца катка на одном месте путем привода вращения жидкости в разные стороны.
На фиг. 24 - изображено сечение вальца для уплотнения минеральных грунтов.
На фиг. 25 - изображено сечение вальца для верховых торфяных болот.
На фиг. 26 - изображено сечение вальца для низинных торфяных болот.
Устройство катка
Каток состоит из вальца 1 и энергетической установки 2, включающей воздушный компрессор, генератор электрического тока, наливной водяной насос и панель управления (фиг. 1, 2).
Валец 1 катка состоит из гибкой оболочки 3 (выполненной, например, из гибкой прочной эластичной сшитой и склеенной транспортерной ленты), в которой находится газ 4 и жидкость 5 (фиг. 3, 4). На оболочке 3 может быть закреплена сменная защитная обечайка 6 с грунтозацепами 7 (фиг. 14, 15). Внутри оболочки 3 установлены ковши 8 для жидкости 5, состоящие из ребер 9, выполненных в виде П-образной рамки, прикрепленной к внутренней стенке гибкой оболочки 3, а внутри ребер 9 находятся гибкие стенки 10 и дно с поплавком 11 (фиг. 8, 9, 10, 11, 12). Дно может быть выполнено без поплавка 11 из гибкого плавающего материала 12 (фиг 13). Во вращение жидкость 5 приводит насос 13 (фиг. 3), в качестве которого может использоваться реверсивный насос лопастного типа или мембранного принципа действия (фиг. 3, 4, 5). В качестве насоса также могут быть применены электрогидравлические ударные камеры прямого 14 и обратного хода 15 (использующие эффект Юткина Л.А.) (фиг. 6, 8). Также в качестве насоса могут быть использованы электроды 16 постоянного тока, меняющие свою полярность и расположенные на изолирующей пластине 17 (фиг. 7). Валец 1 может быть снабжен дугообразной опорой 18 (фиг. 20) и защитным настилом 19 из броневых полос (фиг. 16), укладываемым на уплотняемый грунт.
Валец 1 связан с энергетической установкой 2 гибкими шлангами и кабелями 20, по которым происходит слив и залив жидкости 4 в гибкую оболочку 3, а также осуществляется работа системы подачи давления газа 4 в оболочку 3 и работа системы подачи и управления электрическим током, а также управление амплитудой и частотой колебаний вибраторов (фиг. 1, 2). Кабели и шланги 20 через неподвижную ось 21 гибкой оболочки 3 соединяются с оборудованием, расположенным внутри гибкой оболочки 3 (фиг. 1, 2). На оси 21 установлен противовес 22 с датчиком глубины погружения гибкой оболочки 3 (фиг. 1, 2) в грунт. Внутри гибкой оболочки 3 на оси 21 внизу в жидкости 5 установлен импульсный вибратор 23, а вверху в газе установлен акустический излучатель 24 (фиг. 3, 4). Ось 21 при помощи гидроцилиндров 25, установленных на противовесе , может поворачиваться вместе с импульсным вибратором 23, изменяя направление его действия (фиг. 2).
Оболочка 3 может быть разделена перегородкой 26 на две части (фиг. 18) или состоять из двух герметичных частей 27, связанных между собой при помощи шарнира 28 (фиг. 19).
Поверхность оболочки 3 может иметь форму цилиндрическую (фиг. 24), сфероидную (фиг. 25) или многогранную (например, трапециевидную) (фиг. 26). Средняя часть гибкой оболочки 3 может быть изготовлена из упругого растягивающегося материала 29 (например, резины) (фиг. 23). На оболочку 3 может накладываться стягивающий бандаж 30 (фиг. 22).
Работает устройство следующим образом.
Привод катка
В смонтированную гибкую оболочку 3 вальца 1 по системе 20 слива и залива жидкости 5, находящейся на энергетической установке 2, подается жидкость 5 (фиг. 1, 2). В зависимости от свойств уплотняемого грунта гибкая оболочка 3 заполняется жидкостью 5 полностью (фиг. 3) или частично (при уплотнении болот, плавающий вариант) (фиг. 8).
Привод катка в движение осуществляется путем вращения жидкости 5 внутри вальца 1 (фиг. 3, 4) при помощи насосов 13. Вращающаяся жидкость 5 давит на ребра 9, расположенные внутри оболочки 3, и заставляет валец 1 катка вращаться, в результате чего каток начинает движение по уплотняемому грунту (фиг. 3).
Неподвижная ось 21 и соответственно насос 13 удерживаются от вращения противовесом 22 (фиг. 2). Для катков малого веса (малый объем жидкости) применяются насосы 13 диафрагменного (фиг. 3, 4) или лопастного типа (фиг 5). Для больших объемов жидкости применяют электрогидравлические ударные камеры прямого 14 и обратного 15 хода (фиг. 6). Для уплотнения грунта без шума и колебаний (например, в старых жилых кварталах или вблизи архитектурных памятников) применяют в качестве насосов электроды 16 постоянного тока, установленные на изолирующей пластине 17 (фиг 7). При подаче плюса на один электрод 16, а минуса на другой, в жидкости 5 (солевой раствор) начинается бесшумное движение ионов солевого раствора вдоль изолирующей пластины 17, которое приводит к вращению жидкость 5 и соответственно оболочку 3 (фиг. 7).
В теплое время года в качестве жидкости 5 применяют воду. Для движения катков, эксплуатирующихся в условиях Крайнего Севера или при отрицательной температуре, в качестве вращающейся жидкости 5 используют солевые растворы (имеющие низкую температуру замерзания) и электроды 16.
Привод катка (плавающего) при не полностью заполненной оболочке 3 массой жидкости 5, например, при уплотнении болот 34 (фиг. 8), осуществляется следующим образом. Оболочку 3 заполняют жидкостью 5 до состояния плавучести или сливают жидкость 5 из оболочки 3. Для сохранения формы оболочки 3 в нее подают под давлением газ 4 (воздух). Насос 14 подает струю 31 жидкости 5 на одну сторону внутренней стенки оболочки 1 в ковши 8. Ковши 8 заполняются жидкостью 5 с одной стороны, в результате чего нарушается равновесие и своим весом поворачивают валец 1 (фиг. 8, 9), так как на других сторонах в ковшах 8 нет жидкости 5 (фиг. 11, 10). При выходе ковшей 8 из жидкости 5 в результате вращения вальца 1 благодаря поплавку 11 жидкость 5 выливается из ковша 8 (фиг. 10, 11). Вместо поплавка 11 может быть использованы стенки 10 из плавающего материала 12.
Скорость движения вальца 1 регулируется скоростью движения жидкости 5 при помощи насоса 13 путем увеличения или уменьшения мощности электроэнергии или числа оборотов насоса 13.
Прямой и обратный ход вальца 1 производится путем изменения направления вращения массы жидкости 5 за счет реверсивности насоса 13 или смены полярности электродов 16 или камер 14, 15 прямого и обратного хода.
При движении катка по насыпному грунту 32 из обломочных пород с острыми краями для предохранения от повреждения оболочки 3 на нее надевают сменную защитную обечайку 6, состоящую из прочных броневых пластин, соединенных между собой шарнирными грунтозацепами 7 (фиг. 14, 15). Если грунт 32 крупнообломочный, то применяют защитный настил 19 (фиг. 16), устанавливаемый попеременно на пути движения вальца 1.
Поворот катка
Поворот катка осуществляется несколькими вариантами.
По первому варианту внутри вальца 1 на оси 21 устанавливается не менее двух насосов 13 (фиг. 17), производящих вращение массы жидкости 5 с разными скоростями, за счет чего на торцы оболочки 3 начинает действовать жидкость 5 с разными по величине усилиями, а так как оболочка 3 гибкая, то и происходит поворот вальца 1 по большому радиусу.
По второму варианту (фиг 18) валец 1 внутри разделен перегородкой 26, в каждой из которых устанавливается насос 13, производящий вращение массы жидкости 5 с разными скоростями, что обеспечивает поворот вальца 1 по меньшему радиусу.
По третьему варианту оболочка 3 вальца 1 состоит из двух частей 27 (фиг. 19), связанных между собой шарниром 28, в каждой из которых размещен насос 13, вращающий массы жидкости 5 с разными скоростями или в разных направлениях.
По четвертому варианту (фиг. 20) под оболочку вальца 1 подкладывают дугообразную опору 18, увеличивающую длину пути одного из концов вальца 1, в результате чего происходит поворот вальца 1.
По пятому варианту (фиг. 21) в одной из частей оболочки 3, разделенной перегородкой 26 (или двух частей 27, соединенных шарниром 28), снижают или повышают давление в оболочке 3 путем повышения или понижения давления газа 4 (или путем подачи жидкости 5 через перегородку 24 из одной части в другую), в результате чего часть вальца 1 с пониженным давлением (или с пониженной массой жидкости 5) тормозит движение, разворачивая валец 1 (эффект спущенного и накаченного колеса в едущем автомобиле).
По шестому варианту при укатывании площадок один конец оболочки 3 стягивается бандажом 30, в результате валец 1 представляет собой усеченный или полный конус и движение вальца происходит по (расширяющейся или сужающейся) спирали (фиг. 22).
По седьмому варианту, (фиг. 23), в середину оболочки 3 вставляют пояс из упругого растягивающегося материала 29 и производят вращение массы жидкости 5 у торцов оболочки 3 в разные стороны, при этом происходит поворот вальца 1 на месте.
Регулирование удельного давления катка на грунт
Удельное давление на грунт (фиг. 3, 4) регулируется следующим образом.
По первому варианту уменьшают или увеличивают вес вальца 1 путем слива или залива жидкости 5 в оболочку 3.
По второму варианту изменяют площадь контакта 33 оболочки 3 с грунтом путем повышения или понижения давления газа 4 внутри оболочки 3 при помощи компрессора, находящегося на энергетической установке 2, при этом увеличивается или уменьшается площадь контакта 33 с уплотняемым грунтом (фиг. 3, 4).
По третьему варианту на электроды насоса 14 и 16 (фиг. 6, 7) подается сильный переменный ток, жидкость 5 вскипает, и пары ее создают в оболочке 3 повышенное давление, при помощи давления пара изменяется форма оболочки 3 и соответственно площадь контакта 33 с уплотняемым грунтом (фиг. 3, 4).
Создание и регулирование колебаний катка
Создание частоты колебаний катка ведется в двух средах: низкочастотных в жидкости 5 и высокочастотных в газе 4 (фиг. 3). Частота колебаний бесступенчато регулируется через кабели 20 при помощи тока путем подачи импульсов на вибраторы 23 и 24 или при помощи частоты электрогидравлических ударов насоса 14 и 15 (фиг. 3, 4, 6).
Высокая частота колебаний создается в газовой среде гибкой оболочки 3 при помощи плавающих акустических излучателей 24 (фиг. 3).
Более низкие частоты колебаний создаются в жидкости 5. В качестве источника низких колебаний можно применять камеры 14 и 15 с электрогидравлическими ударами, возникающими при разряде электричества в жидкости 5 (использующий эффект Юткина Л.А) (фиг. 6). Частота колебаний жидкости 5 регулируется частотой электрогидравлических ударов. В этом случае насос 14 и 15 служит источником колебаний и приводом вращения жидкости 5.
По первому варианту направление результирующего импульса колебания жидкости 5 регулируется при помощи поворота оси 21 относительно плоскости уплотняемого грунта. Поворот осуществляется при помощи противовеса 22 и гидроцилиндра 25.
По второму варианту направление силы воздействия на грунт производится двумя вибраторами 23 путем разновременной подачи импульсов, в результате направление результирующей от импульсов изменяется.
Для создания воздействия колебаний вдоль оси вальца 1 устанавливают два вибратора 23 и располагают их по концам оси 21.
Транспортирование катка
Транспортирование катка производится путем складывания гибкой оболочки 3 за счет вакуума, создающегося внутри гибкой оболочки 3 при сливе жидкости 5. Оболочка разделяется на два основания и рабочую поверхность, которые разъединяют, складывают и перевозят.
Варианты применения катка
По первому варианту - строительству основания дорог, снимается с трассы почва до подстилающего грунта, производится обработка грунта дезинфицирующей жидкостью с целью подавления жизнедеятельности почвенных животных (микробы, бактерии, грибы и т.д.), затем делается первый проход вальца 1 с применением вибрирования. В этом случае применяется валец 1 прямоугольной формы (фиг. 24). Насыпается щебень, выравнивается полотно дороги и производится второй проход без применения вибрирования. Для уплотнения грунта желательно применять валец 1 шириной 6,5 м, диаметром 6,5 м и весом более 100 т. Такой каток за один проход уплотняет основание двухполосной дороги. При строительстве дорог в исторических местах или в районе ветхих жилых построек вибрирование не применяется.
Второй вариант способа применения катка при строительстве дороги через болото 34 заключается в том, что валец 1 не полностью заполняется жидкостью 5 (фиг. 8), в этом состоянии он плавает. В этих условиях для движения вальца 1 применяются электрогидравлические ударные камеры 14 и 15. Наиболее оптимальная форма вальца 1 для верховых болот - сферическая, а для низинных и переходных болот - трапециевидная (фиг. 25 и 26). Каток, плывя в воде болота 34, при движении своим весом уплотняет торф 35 (не прорывая поверхностный слой торфа), оставляя после себя канал, по которому удаляется вода. После удаления воды и осадки торфа 35 повторяют проход вальца 1 по трассе дороги, до достижения вальцом прочного грунта затем производят торцевую отсыпку дорожного полотна и его уплотнение вальцом 1 прямоугольной формы. Для лучшего движения вальца 1 по болоту 34 на валец 1 устанавливают грунтозацепы 7.
По третьему варианту не удаляют воду из болота, а образуют проходом вальца 1 (сферической формы) первичный канал, в который устанавливают плавучую платформу и с нее производят торцевую отсыпку дорожного полотна выше уровня воды, а насыпь уплотняют вальцом 1 прямоугольной формы, при этом сохраняют экосистему болота.
По четвертому варианту при помощи катка определяют прочность построенного здания и срок его эксплуатации, для этого каток располагают с восточной или западной стороны здания и производят вибрирование. Амплитуда колебаний, их частота и масса катка (или нескольких катков) подбирается в зависимости от массы здания. Срок службы здания определяется временем вибрирования, за которое не происходят внутренние деформации здания. Таким же образом определяют аварийность здания.
Время службы здания определяется зависимостью от амплитуды колебания вальца, расстояния до здания, времени колебаний и соотношения между массой здания и массой катка по формуле:
Т=А×Л×В×Мз:Мк,
где T - время службы здания, A - амплитуда колебаний, Мз - масса здания, Мк - масса катка, Л - расстояние до здания, В - время колебания,
Предлагаемое устройство позволит уплотнять грунты с различной несущей способностью (от болот до скальных насыпей), создавать значительные усилия уплотнения на единицу ширины уплотняемой полосы, а также создавать возможности для выбора эффективных параметров уплотнения различных грунтов в процессе работы, снизить затраты на эксплуатацию и транспортировку катка, а также определять прочность построенных зданий.