Грунтовой каток – один из главных «персонажей» на укладке земляного полотна и щебеночного основания. Его применяют при уплотнении базового слоя из природного или привозного грунта, предварительно подвергнутого гомогенизации и стабилизации минеральными и органическими вяжущими. Эти меры существенно увеличивают несущую способность базового слоя, а следовательно, дают возможность уменьшить высоту земляного полотна и объем работ по его возведению. Затем каток ударно трудится на уплотнении земляного полотна, щебеночного основания и длинных пологих откосов для улучшения стока воды. На своем жизненном пути каток преодолевает много трудностей, уплотняя разные по гранулометрическому составу, прочности, связности и влажности грунты. Ему приходится пускаться на хитрости: менять свою массу, форму вальца, число проходов, скорость, применять вибрацию.
Условия работы, самое важное из которых – сильное сопротивление качению, сформировали оптимальную компоновку грунтового катка, выделившую его в отдельный класс машин. Каток – шарнирно-сочлененная машина с постоянной массой. Передняя полурама опирается на валец с гидростатическим приводом и вибровозбудителем, на задней полураме размещены двигатель, агрегатированный с одним или двумя гидронасосами хода, ведущий мост с двумя колесами и кабина.
Механическая трансмиссия ведущих колес, еще недавно широко применявшаяся, вытеснена гидростатической с бесступенчатым изменением скорости и тяги, а значит, повышением качества уплотнения. Гидростатический привод расширяет возможности компоновки. Поскольку у катка должно быть немалое тяговое усилие и он не должен буксовать на рыхлом грунте и на уклоне, применяют либо раздельные гидравлические контуры привода вальца и колес с отдельными насосами, либо автоматическую систему перераспределения тяги с одним насосом. В соответствии с требованиями безопасности предпочтение отдают гидравлическому контуру рулевого управления. Мощная тяга позволяет конструкторам предложить в качестве опции отвал, расширяющий функциональность катка.
Для уплотнения несвязанных грунтов каток комплектуют гладким вальцом и шинами с неглубоким протектором. Поверхность вальца с двух сторон очищается скребками. По связанным грунтам, в том числе стабилизированным, работают кулачковыми вальцами. Если связанный грунт попытаться уплотнять гладким вальцом, он лишь накатает на поверхности корку, под которой останется рыхлый грунт. Несущая способность и прочность на сдвиг такого основания будут ниже всякой критики. Кулачок грунт продавливает, а корка не образуется – таким образом, грунт уплотняется на бoльшую глубину.
Кулачкам придают трапецеидальный или эвольвентный профиль (только на катках Caterpillar), чтобы на выходе из отпечатка кулачок не разрыхлял его края. От налипшего грунта валец очищает система узких скребков. Цельный кулачковый валец и шины с глубоким протектором устанавливают на заводе, но смена вальцов возможна и на рабочем месте, для чего производители предлагают сменные наборы – валец, опоры, передний бампер, элементы гидравлики и крепежа. Процесс этот довольно трудоемкий, а потому практикуется более простой и дешевый вариант: приобрести к гладкому вальцу обечайки (бандажи) с кулачками. Кулачки на них поменьше, чтобы диаметр вальца и соответственно его угловая скорость менялись несущественно. Внутри вальца помещают механизм вибрации, увеличивающий уплотняющее действие катка.
Казалось бы, для создания катка дизайнеры не нужны вовсе – это вам не Lexus. Тем не менее в соответствии с последними веяниями моды конструкциям придают плавные, радующие глаз очертания, которые не противоречат требованиям к функциональности и эргономике, а зачастую улучшают их. На красивой машине оператор ощущает себя иначе, меняется эстетическое восприятие стройплощадки, возникает чувство гордости и ответственности и за технику, и за себя, что в итоге позитивно отражается на производительности труда. Узкий цельный скошенный капот элегантного дизайна не препятствует обзору сзади, и если его поднять, откроется полный доступ к двигателю и агрегатам гидросистемы. Панорамное остекление кабины дает круговой обзор. Кресло поворачивается и перемещается поперек кабины так, что оператор может контролировать край вальца.
Производители предлагают сходные по характеристикам модельные ряды катков. Так, у компаний Caterpillar, Hamm и Bomag в них по 10 моделей массой от 3 до 25 т: у Caterpillar это машины массой 5, 7, 11, 12, 14, 15, 17 и 19 т; у Hamm – 5, 7, 11, 12, 14, 16, 18, 20 и 25 т; линейка Bomag с шагом практически в 1 т – машины массой 3, 5, 7, 8, 9, 11, 13, 14, 15, 16, 17, 19, 25 и 26 т. В формировании рядов заметен эмпирический подход, основывающийся прежде всего на требованиях рынка, иными словами – на объемах продаж. Для дорожника нет смысла иметь полную модельную линейку, разумней формировать парк из машин, соответствующих выполняемым работам, и не забывать при этом об унификации парка.
У близких по характеристикам и внешне похожих катков разных производителей свои особенности, что особенно заметно по опционному оснащению. Подход корпорации Caterpillar можно кратко охарактеризовать как «надежно, эффективно и эксклюзивно». Обновляя модельный ряд, она использует отработанные, проверенные решения, защищенные патентами фирмы. Кажущаяся простота конструкции основана на тщательном отборе только максимально эффективных и надежных решений, которые зачастую дороже в производстве, но быстро окупаются при интенсивной эксплуатации.
В серии Е, которой постепенно заменяют предшественницу – серию D, визитные карточки грунтовых катков Caterpillar – двухконтурная гидростатическая трансмиссия и оригинальный вибрационный механизм – получили дальнейшее развитие. Двухконтурная гидросистема подает независимые потоки рабочей жидкости к моторам вальца и заднего моста. Таким образом, при пробуксовке вальца тяга на колесах не меняется, и каток продолжает движение. При пробуксовке одного колеса блокируется дифференциал повышенного трения, сохраняя полную тягу на другом колесе. Вибрационный механизм включает два эксцентрика, помещенных на центральную ось. В так называемом «стручковом эксцентрике» во внутреннюю полость, действительно напоминающую стручок, насыпана дробь. При вращении в одну сторону дробь перекатывается в сторону, противоположную грузу, частично компенсируя его массу и сокращая амплитуду колебаний до минимальной.
При вращении в обратном направлении дробь перекатывается к грузу, увеличивая массу дебаланса и соответственно амплитуду колебаний. Данная система отличается исключительной надежностью, так как в отличие от дебалансов с взаимно перемещаемыми грузами в ней просто нечему ломаться. В стандартной комплектации вибрационный механизм Caterpillar работает с постоянной частотой. По заказу могут быть установлены система плавного регулирования частоты с тахометром вибратора и три варианта систем динамического контроля степени уплотнения, включая составление компьютерной карты степени уплотнения рабочего участка с возможностью передачи данных на удаленный компьютер по радиоканалу и вывода на печать. Механизм не требует к себе пристального внимания: интервал замены масла – 3000 машино-ч, или 3 года независимо от наработки. В новой серии Е возросла центробежная сила за счет увеличения частоты либо амплитуды в зависимости от модели. Продуман удобный доступ к агрегатам для обслуживания. Цельный скошенный капот из стеклопластика поднимается вместе с выхлопной трубой к кабине электроприводом, как на фронтальных погрузчиках Caterpillar. Кроме того, вперед откидывается кабина, открывая доступ к гидронасосам.
Кабина и рабочее место оператора отвечают самым высоким стандартам по эргономике. Эффективная вибро- и шумоизоляция обеспечивает самый низкий уровень шума на рабочем месте.
Кулачковые катки Caterpillar имеют вальцы с кулачками особой формы. Эвольвентный в направлении качения и овальный в поперечном сечении профиль защищен патентом. Он обеспечивает меньшее налипание грунта и большее тяговое усилие, чем трапецеидальный. Кулачки катков Caterpillar расположены по шевронному принципу. Это обеспечивает постоянное распределение контактного усилия на 2,5 кулачка, что дает очень высокое контактное давление и продавливающую способность при высокой равномерности качения.
Кроме того, кулачки катков Caterpillar – литые в отличие от штампованных или гнутых из полосы у других производителей. Такая же форма кулачков, только меньшей высоты, используется в кулачковых обечайках для гладковальцовых катков Caterpillar.
Модели CS-663E и CS-683E оснащают «каменными» бандажами из высокопрочной стали толщиной 42 мм. Предусмотрена возможность установки кулачковых обечаек на все гладковальцовые модели. Катки массой от 5 до 12 т могут оснащаться планировочными отвалами.
Модельный ряд немецкой компании Bomag почти весь – от 7 до 26 т – укомплектован моделями последнего, 4-го поколения с целым рядом усовершенствований. Капот выполнен из легкого и прочного пластика и поднимается к кабине на 90°, целиком открывая двигатель, агрегатированный с насосом. Двигатель развернут радиатором к кабине, что позволило не только сделать капот сильно скошенным, но и сместить к корме центр тяжести, улучшив тем самым развесовку по осям. В самой простой комплектации D-4/ PD-4 (гладкий/ кулачковый валец) механизм вибрации состоит из двух эксцентриков, вращающихся в одном направлении на центральной оси. Изменение амплитуды при смене направления вращения происходит за счет перемещения подвижного груза. В комплектации DH-4/ PDH-4 добавляется пропорциональный гидравлический клапан на моторе ведущего моста. При пробуксовке он перераспределяет потоки рабочей жидкости между моторами моста и вальца, что позволяет преодолевать большие уклоны.
Наиболее «продвинутая» комплектация с системой Variocontrol обозначена аббревиатурой BVC, и ее главный компонент – поворотный эксцентриковый блок, помещенный на центральной оси вальца. Два боковых эксцентрика расположены на центральной оси и вращаются в одну сторону. Два средних эксцентрика вращаются в противоположном направлении на осях, вынесенных за центральную ось. Когда оси средних эксцентриков находятся одна над другой, вибрационное воздействие вальца имеет только вертикальную составляющую. При их отклонении от вертикали появляется горизонтальная составляющая, а по достижении осями горизонтального положения валец полностью переходит в режим осцилляции.
Управление механизмом вибрации происходит в автоматическим режиме: оператор задает с пульта управления (Bomag Operating Panel) параметры уплотнения, электронная система считывает с сенсоров на внутренней стороне вальца данные о погружении вальца в грунт на каждом цикле вращения эксцентриков, т. е. степени уплотнения грунта, и на их основании задает оптимальное положение механизма вибрации и скорость катка. Информация выводится на дисплей пульта управления в режиме реального времени. Дополнительный модуль позволяет перенести данные на бумажную ленту. Кроме пульта управления в комплектацию включен большой ЖК-дисплей на панели управления катком, а управление поворотом перенесено с рулевого колеса на колесико на левой консоли.
В качестве опций компания Bomag предлагает полигональный валец для уплотнения связных и несвязных грунтов, «скальный» валец, дробящий и уплотняющий крупнокусковый каменный материал, а также навесной блок вибротрамбовок. Блок увеличивает уплотняющее воздействие катка за один проход.
Катки серии 3000 компании Hamm AG тоже поставляют в нескольких комплектациях. У машин этой серии скошенный цельный капот открывается в сторону от кабины, шарнирное сочленение – трехточечное. Изменена компоновка моторного отсека: двигатель расположен традиционно – продольно от кабины, радиаторный блок скомпонован в форме куба.
В стандартной комплектации гидросистема обычная, в более развитой комплектации гидроприводы хода и вибровозбудителя управляются микропроцессорной системой Hammtronic. Считывая данные с множества сенсоров, распределенных по узлам катка, система автоматически регулирует частоту вращения двигателя, скорость движения, амплитуду и частоту вращения эксцентриков, распределяет потоки рабочей жидкости между моторами моста и вальца. Входящие в нее модули контроля скольжения и тяги предотвращают пробуксовку колес и вальца. Система кроме способности преодолевать подъемы повышает экономичность машины на 30% по сравнению со стандартной комплектацией. Для моделей 3307, 3412 и 3414 предусмотрена расширенная комплектация, обозначаемая аббревиатурой VIO.
Она подразумевает механизм, способный работать в двух режимах – вибрации или осцилляции. Эксцентрики на двух валах, вращаясь противоположно, создают вертикальное результирующее воздействие – вибрацию. При переключении их на вращение в одном направлении результирующая сила приобретает переменное горизонтальное направление, вызывая вращение вальца в ту или другую сторону.
Этот метод особенно хорошо показал себя при уплотнении покрытий мостов, где противопоказаны вертикальные вибрационные воздействия, и городских улиц, под которыми на небольшой глубине проложены коммуникации.
