ПНЕВМОКАТОК ДЛЯ ПРОМИНКИ ОСНОВАНИЙ ДОРОГ
PNEUMATIC ROLLER TO FLATTEN GROUNDWORK BASE

Изобретение относится к машинам для ускоренной подготовки оснований при возведении зимних дорог на болотах, а именно к машинам для проминки с формированием продольных полос в промораживаемых заболоченных основаниях в Северных условиях.
В настоящее время с целью ускорения процесса промораживания оснований под автозимники на болотах рекомендуется ВСН-137-89 (Проектирование, строительство и содержание зимних автомобильных дорог в условиях Сибири и Севера-Востока СССР) для проминки торфяных болотных поверхностей использовать из всех известных моделей тракторы болотной модификации или гусеничные тягачи типа БТ-361, ГА3-47, АТЛ, ГТТ, а для расчистки снега - типа БАТ, бульдозеры на тракторах с уширенными гусеницами или прицепные снегоочистительные угольники.
Недостатком рекомендуемых ВСН-137-89 (Проектирование, строительство и содержание зимних автомобильных дорог в условиях Сибири и Севера-Востока СССР) тракторов болотной модификации и гусеничных тягачей является низкая эффективность процесса проминки по причине того, что эти машины рассчитаны не для проминки, а для выполнения транспортных работ.
Задачей, на осуществление которой направлено заявляемое техническое решение, является создание условий, обеспечивающих повышение эффективности процесса проминки поверхности дорожного основания под автозимники на болотах, технический результат - ускорение процесса промораживания, повышение механизации процесса предварительной проминки болотной поверхности дорожного основания под автозимники, повышение качества и прочности подготавливаемой поверхности, эффективности процесса проминки, а также упрощение конструкции.
Указанный технический результат достигается тем, что пневмокаток для проминки болотной поверхности состоит из двух ступеней, соединенных между собой с помощью шарнира, через который при поворотах обеспечивается поворот первой ступени относительно второй. Первая ступень представляет собой однорядный пневмокаток, а вторая - трехрядный пневмокаток с пневмоколесами, установленными на осях в шахматном порядке с расстоянием между колесами не более половины ширины одного пневмоколеса таким образом, что полосы, остающиеся не промятыми пневмоколесами первого ряда, проминаются пневмоколесами второго ряда. Далее предусматривается повторная проминка, т.е. полосы, остающиеся не промятыми после прохода пневмоколес второго ряда, проминаются пневмоколесами третьего ряда, а полосы не промятые после прохода пневмоколесами третьего ряда проминаются пневмоколесами четвертого ряда. На все четыре оси пневмокатка установлены гидродвигатели, перед первой ступенью пневмокатка установлен планировщик-выравниватель с помощью шарниров и гидроцилиндров. На раме второй ступени установлено оборудование для гидропривода, оборудование для выработки электрической и тепловой энергии и устройство для регулирования давления в шинах.
Необходимое давление Р на оси пневмокатка определено по зависимости:
P=B·(R-h)·tgα·n[σ]·k, H;
где В - ширина рабочей поверхности пневмоколес, м; R - радиус пневмоколес, м; h - глубина погружения пневмоколес, м; α - половина центрального угла, соответствующая дуге соприкосновения пневмоколеса с проминаемой поверхностью, град; n - количество пневмоколес на одной оси; [σ] - допускаемая несущая способность болотной поверхности, МПа; k - коэффициент превышения удельного давления на болотную поверхность пневмоколесами пневмокатка.
Наличие в устройстве новых элементов - четырехрядного пневмокатка с пневмоколесами, установленными на осях в шахматном порядке таким образом, что полосы, остающиеся не промятыми пневмоколесами первого ряда, проминаются пневмоколесами второго ряда. Далее процесс повторяется, т.е. пневмоколеса третьего ряда проходят по следу пневмоколес первого ряда, а пневмоколеса четвертого ряда проходят по следу пневмоколес второго ряда. После прохода пневмоколес четвертого ряда вода, выступившая на поверхность промятого слоя, будет скапливаться в колеях, оставшихся по следу пневмоколес четвертого ряда. При этом расстояние между колесами в ряду должно быть меньше или равно половине ширины пневмоколеса.
Изобретение поясняется чертежами, где
на Фиг.1 изображена схема четырехосного пневмокатка: а - вид сбоку;
на Фиг.2 - схема четырехосного пневмокатка - вид в плане;
на Фиг.3 - схема расположения линий проминки на полосе отвода: - под основание автозимника (для автозимников - I, II и III категорий) и для сбора снега;
на Фиг.4 - распределение давлений под колесом пневмокатка на болотной поверхности: а - находящимся в движении и б - неподвижным;
на Фиг.5 - технологическая схема проминки болотной поверхности четырехосным пневмокатком;
на Фиг.6 - кривая зависимости необходимой массы (Q, кг) пневмокатка от несущей способности болотной поверхности [σ], МПа.
Основным фактором, ускоряющим процесс промораживания дорожных оснований под автозимники на болотах (болотной поверхности), является проминка с целью уплотнения торфяного слоя с мохорастительной поверхностью с выдавливанием воздушных пузырьков до выступления воды на поверхности. Так, например, коэффициент теплопроводности не промятой поверхности воздушно-сухого торфа составляет 0,012…0,14 Вт/мК, а промятой поверхности, представляющей собой талый влагонасыщенный торф, - 0,7-0,9 Вт/мК и мерзлый влагонасыщенный торф - 1,1…1,2 Вт/мК (И.А.Комаров. Термодинамика и тепломассообмен в дисперсных мерзлых породах, - М.: Научный мир, 2003, с.292).
Для достижения вышеуказанного технического результата при разработке пневмокатка для проминки дорожных оснований под автозимники на болотах в качестве одного из возможных вариантов  принято: h - глубина погружения пневмоколес в болотную поверхность, равна 0,12 м; R - радиус пневмоколес, равен 0,45 м, В - ширина рабочей поверхности пневмоколес, равна 0,32 м. По допускаемой несущей способности (давлению) [σ], МПа, на торфяной слой болотной поверхности, принято использование пневмокатков применительно к трем типам болот (для очень плотного слабоувлажненного торфа [σ]=0,060 МПа, для плотного среднеувлажненного - [σ]=0,042 МПа и для рыхлого увлажненного торфа - [σ]=0,033, МПа), (ВСН-137-89, Проектирование, строительство и содержание зимних автомобильных дорог в условиях Сибири и Севера-Востока СССР). При этом необходимое давление Р на оси пневмокатка при заданных: глубине погружения пневмоколес - h и допускаемой несущей способности (давления) [σ], МПа торфяной болотной поверхности можно определить по формуле
где В - ширина рабочей поверхности пневмоколес, м; α - половина центрального угла (Фиг.4), соответствующая дуге соприкосновения пневмоколеса с проминаемой болотной поверхностью, град; n - количество пневмоколес на одной оси; [σ] - допускаемая несущая способность торфяного слоя болотной поверхности, МПа; k=1,25 - рекомендуемый коэффициент превышения удельного давления на торфяную болотную поверхность пневмоколеса предлагаемого пневмокатка по сравнению с допускаемым (ВСН-137-89, Проектирование, строительство и содержание зимних автомобильных дорог в условиях Сибири и Севера-Востока СССР).
Значение половины центрального угла α, соответствующего половине дуги соприкосновения пневмоколеса с болотной поверхностью можно представить равенством (Фиг.4):
,
где α=arccosα.
I
Таким образом, давление P на пневмоколеса первой оси предлагаемого пневмокатка для болот с несущей способностью [σ]=0,060, МПа (Фиг.1 и 4) можно определить по формуле (1)
1
P=B·(R-h)·tgα·5·0,060·1,25, H.
Количество пневмоколес согласно предлагаемой кинематической схемы принимается: на первой и третьей осях - по 5 шт., на второй и четвертой осях - по 6 шт. (Фиг.2 и 5).
II
II
II
II
o
Суммарное давление P  на пневмоколеса второй оси будет слагаться из трех составляющих: составляющей P' по проминке межколейных полос шириной - 0,16 м; составляющей P” по проминке на уширение захвата второй оси относительно первой составляет - 0,24 м на каждую из двух сторон и P'” - составляющей на проминку обратимой деформации после прохода пневмоколес первой оси шириной 0,16 м на каждое из шести пневмоколес второй оси, таким образом:
II
P'=0,16·(R-h)tgα·4·[σ]·1,25, Н
II
P”=0,24·(R-h)tgα·2·[σ]·1,25, H
II
P'”=0,16·0,39·0,675·5·[σ]·1,30, Н
II
o
Общее давление P  на пневмоколеса второй оси составляет:
II
II
II
II
o
P =P'+P”+P'”, H
III
III
III
o
Давление P  на пневмоколеса третьей оси складывается из двух составляющих: P' - на проминку обратимой деформации пространства между пневмоколес шириной - 0,16 м; и P” - на повторную проминку обратимой деформации шириной 0,16 м на каждое из пяти пневмоколес и таким образом:
III
P'=0,16·(R-h)·0,575·n·[σ]·1,30, H
III
P”=0,16·(R-h)·0,45·n·[σ]·1,35, H
III
o
P  - общее давление на пневмоколеса третьей оси будет равно:
III
III
III
o
P =P'+P”, H.
IV
IV
IV
IV
o
Давление P  на пневмоколеса четвертой оси будет слагаться из трех составляющих: P' - давления на проминку четырех полос обратимой деформации пространства между колес шириной 0,16 м; P” - давления на повторную проминку уширений четвертого ряда относительно третьего шириной по 0,24 м с каждой из двух сторон; и P'” - давления на третью проминку обратимой деформации шириной 0,16 м на каждое из пяти задействованных колес. Таким образом получим:
IV
P'=B·(R-h)·0,45·n·[σ]·1,35, H
IV
P”=В·(R-h)tgα·n·[σ]·1,35, H
IV
P'”=В·(R-h)tgα·n·[σ]·1,40, H.
IV
o
Общее давление P  на пневмоколеса четвертой оси составит:
IV
IV
IV
IV
o
P =P'+P”+P'”, H.
oбщ
nk
Общее давление P  на все четыре оси пневмокатка для проминки дорожных оснований под автозимники на болотах с очень плотным, слабоувлажненным торфом составит:
общ
I
II
III
IV
nk
o
o
o
o
P =P +P +P +P , H.
1
2
3
4
При этом принято: k - коэффициент превышения удельного давления для пневмоколес: - первой оси - 1,25; для второй оси - 1,30; для третьей оси - 1,35 и для четвертой оси - 1,40. Коэффициент ε - обратимых деформаций после проминки пневмоколесами: - первой оси - 0,5; второй оси - 0,33; третьей оси - 0,25 и четвертой оси - 0,16. Учитывая величины погружения пневмоколес (Фиг.4, а и б) и обратимых деформаций, центральные углы α, соответствующие половине дуги соприкосновения пневмоколеса с торфяной поверхностью, примут следующие значения: α=42,8° для пневмоколес первой оси; α=29,9° - для пневмоколес второй оси; α=24,3° - для пневмоколес третьей оси; α=21° - для пневмоколес четвертой оси. Величины глубины погружения h (Фиг.4, а и б, Фиг.5) пневмоколес с учетом обратимых деформаций составляют: - для первой оси - 0,12 м; - для второй оси - 0,06 м; для третьей оси - 0,04 м; для четвертой оси - 0,03 м.
oбщ
nk
Аналогично, используя формулу (1), можно определить общее давление P  на четыре оси и необходимую массу пневмокатков для проминки болотной поверхности, в т.ч. и на торфяных болотных поверхностях с плотным, среднеувлажненным торфяным слоем и для болот с рыхлым, увлажненным торфяным слоем (Таблица).
Таблица
Давление на оси и необходимая масса пневмокатка в зависимости от несущей способности торфяного слоя болотной поверхности, МПа.
№ оси
Осевое и суммарное давление, кН; масса, (кг) пневмокатка, в зависимости от несущей способности болотной поверхности, МПа.
[σ]=0,06
[σ]=0,051
[σ]=0,042
[σ]=0,033
1
36,67
31,17
25,67
20,17
2
39,66
33.71
27,76
21,81
3
25,95
22,06
16,94
13,31
4
27,46
23,33
19,24
15,1
Суммарное давление на четыре оси пневмокатка (кН)
129,74
110,3
91,61
70,4
Необходимая масса пневмокатка (кг)
12,97·10<sup>3</sup>
11,03·10<sup>3</sup>
9,16·10<sup>3</sup>
7,04·10<sup>3</sup>
1
2
3
4
Таким образом, необходимая масса пневмокатка Q, кг для проминки болотной поверхности при его несущей способности (таблица): [σ]=0,060 МПа составляет 12943 кг; при [σ]=0,051 МПа - 11030 кг; при [σ]=0,042 МПа - 9161,5 кг; при [σ]=0,033 МПа составляет 7039,6 кг.
По результатам аналитических исследований получены данные необходимой массы Q, кг пневмокатка в зависимости от несущей способности [σ], МПа торфяной болотной поверхности (Таблица и Фиг.6).
Пневмокаток для проминки оснований дорог содержит (Фиг.1, 2) раму 1 первой ступени и раму 2 второй ступени, соединенные между собой с помощью шарнира 3, посредством которого при поворотах обеспечивается свободный поворот первой ступени относительно второй. На раме 1 первой ступени установлен однорядный пневмокаток с пятью пневмоколесами 4, посредством первой оси 5 шарниров 6 и гидроцилиндров 7. В передней части рамы 1 первой ступени установлен планировщик - выравниватель 8 с помощью шарниров 9 и гидроцилиндров 10. На раме 2 второй ступени смонтирован трехрядный пневмокаток посредством второй оси 11, третьей оси 12 и четвертой оси 13. Пневмоколеса 4 смонтированы на осях в шахматном порядке таким образом, что полосы не промятой болотной поверхности пневмоколесами первой оси 5 и две боковые полосы уширения проминаются пневмоколесами 4 второй оси 11. Полосы, не промятые пневмоколесами 4 второй оси 11, повторно по следу пневмоколес первой оси проминаются пневмоколесами 4 третьей оси 12; а полосы, не промятые пневмоколесами 4 третьей оси 12, и две боковые полосы уширения проминаются пневмоколесми 4 четвертой оси 13. Для обеспечения условий установки пневмоколес 4 в шахматном порядке на второй оси 11 установлено шесть пневмоколес, на третьей оси 12 - пять пневмоколес и на четвертой оси 13 - шесть пневмоколес. Пневмоколеса 4 второго ряда установлены посредством оси 11 шарниров 14 и гидроцилиндров 15. Пневмоколеса 4 третьего ряда установлены с помощью оси 12 шарниров 16 и гидроцилиндров 17. Пневмоколеса 4 четвертого ряда установлены с помощью оси 13 шарниров 18 и гидроцилиндров 19. Для устранения бульдозерного эффекта на первой оси 5, второй оси 11, третьей оси 12 и четвертой оси 13 установлены гидродвигатели соответственно 20, 21, 22 и 23. На раме 2 второй ступени установлено оборудование для выработки электрической энергии и оборудование для гидропривода, например, установлена электростанция 24 с топливным баком 25 и гидронасосная установка 26 с баком для гидрожидкости 27, а также устройство для регулирования давления в шинах. Планировщик-выравниватель 8 предназначен для предварительной подготовки к проминке болотной поверхности 28 и снегосборных полос. Агрегатируется пневмокаток с трактором - болотоходом типа Т-170 M1 01 посредством прицепного устройства 29.
Пневмокаток для проминки оснований дорог работает следующим образом.
В период наступления устойчивых заморозков начинают ускоренную подготовку подмораживаемой болотной поверхности дорожного основания 30 и снегосборных полос 31 и 32 (Фиг.3). Для этого пневмокаток, установленный на пневмоколесах 4 первой и второй ступеней, буксируется с помощью прицепного устройства 29 (Фиг.1 и 2) на заданное рабочее место. Далее запускается в рабочее состояние электростанция 24, запитанная из топливного бака 25 и гидронасосная установка 26, запитанная из бака для гидрожидкости 27. Опускается в рабочее положение до контакта с проминаемой болотной поверхностью 28 планировщик-выравниватель 8 с помощью шарниров 9, гидроцилиндров 10 и рамы 1 первой ступени. Пневмоколеса 4 первой оси 5, второй оси 11, третьей оси 12 и четвертой оси 13 выполняют роль ходовой части при транспортировке к рабочему месту и роль уплотняющих рабочих органов в рабочем процессе. Давление на пневмоколеса 4 первой оси 5 регулируется с помощью гидроцилиндров 7 посредством шарниров 6. Давление на пневмоколеса 4 второй оси 11 регулируется с помощью гидроцилиндров 15 и шарниров 14. Давление на пневмоколеса 4 третьей оси 12 регулируется с помощью гидроцилиндров 17 посредством шарниров 16. Давление на пневмоколеса 4 четвертой оси 13 регулируется с помощью гидроцилиндров 19 посредством шарниров 18. Шарнир 3 облегчает управляемость пневмокатка в рабочем процессе. Бульдозерный эффект перед пневмоколесами в рабочем процессе исключается путем установки гидродвигателей на первой оси 5 - гидродвигателя 20, на второй оси 11 - гидродвигателя 21, на третьей оси 12 - гидродвигателя 22 и на четвертой оси 13 - гидродвигателя 23. Рабочее движение агрегата осуществляется посредством тяги трактора-болотохода типа Т - 170 M1 01 и с помощью гидродвигателей, установленных на всех четырех осях.
Рациональный выбор кинематической схемы и обоснование основных технологических параметров пневмокатка для проминки оснований автодорог в значительной степени позволит:
- достигнуть полной механизации процесса предварительной проминки болотных поверхностей под дорожное основание для автозимников, а в случае необходимости и дорожной насыпи земляного полотна;
- повысить эффективность, надежность и качество процесса проминки дорожных оснований под автозимники на болотах;
- упростить устройство пневмокатка для проминки дорожных оснований под автозимники на болотах;
- снизить повреждения корневой системы мохорастительной поверхности в процессе проминки за счет округлой формы и эластичности рабочих поверхностей пневмоколес;
- снизить стоимость изготовления и расходов на эксплуатацию пневмокатка для проминки дорожных оснований под автозимники на болотах.