Наибольшее распространение в строительстве получили кулачковые и пневмоколесные катки. Катки с гладкими жесткими вальцами наиболее просты, но малоэффективны из-за небольшой (15—25 см) толщины уплотняемого слоя и вытесняются пневмоколесными катками.

Кулачковые катки (рис. 151, а) представляют собой полый барабан диаметром 1—2,5 м, литой из чугуна или сваренный из листовой стали, к внешней поверхности которого (или к съемным сегментам) приварены уплотняющие кулачки. Барабан имеет загрузочный люк для заполнения его балластом — песком или водой, а также раму с прицепным устройством для работы в сцепе с трактором или тягачом. Кулачковые катки могут быть одновальцовыми и со сдвоенными вальцами (барабанами). Они могут быть прицепными и самоходными.

Главным параметром кулачковых катков принимают их общий вес с полной загрузкой балластом, устанавливаемый в зависимости от назначения катков и величины тягового усилия выпускаемых промышленностью тракторов (тягачей). В современной практике наиболее распространены кулачковые катки весом от 6 до 8 г, у более тяжелых моделей вес достигает 25—30 т.

Кулачки по своей форме могут быть реверсивными — одинаково работающими при движении катка в прямом и обратном направлениях—и нереверсивными, допускающими движение катка только в одном направлении.

Длина кулачков определяет глубину уплотнения и для катков средней массы принимается в пределах 190—250 мм, а у тяжелых катков достигает 600—700 мм. Соотношение между диаметром барабана D и длиной кулачка L обычно — 5-н8.

В процессе уплотнения кулачки вдавливаются в грунт.

Расчетные значения допустимых удельных давлений в предположении, что вес катка передается на грунт через один ряд кулачков, принимаются: – для легких и средних суглинков 700—1500 кн/м2 ( 7—15 кГ/см2); – средних и тяжелых суглинков 1500—4000 кн/м2 (15—40 кГ/см2); – тяжелых суглинков и глинистых грунтов 4000—6000 кн/м2 (40—60 кГ/см2).

Рис. 151. Кулачковый каток:
а — общий вид; б — схема уплотнения грунта кулачком; I — начало уплотнения, II — промежуточная фаза; III — конец уплотнения

Вес катка, передаваемый на грунт через кулачки, подбирается таким, чтобы при первом проходе катка по уплотняемому слою грунта его кулачки погружались в грунт на полную их длину, а барабан катка только касался поверхности уплотняемого слоя. При повторных проходках катка глубина погружения кулачков постепенно уменьшается из-за повышения плотности уплотняемого слоя грунта.

Необходимое число проходов кулачкового катка по уплотняемому слою зависит от веса катка, вида уплотняемого грунта и условий производства работ; в среднем это число составляет от 6 до 12.

Достоинство кулачковых катков — хорошее уплотнение нижней части слоя грунта. Недостатки — разрыхление верхней части слоя при выходе кулачков из грунта и большое сопротивление движению. Кулачковые катки предназначаются для уплотнения рыхлых связных, в том числе комковатых грунтов. При укатке песчано-гравелистых и крупнообломочных грунтов кулачковые катки малоэффективны и даже совсем неприменимы, поскольку они уплотняют грунт в глубине отсыпанного слоя, но разрыхляют его при выходе кулачков на поверхность. Кулачковые катки не могут быть использованы в осенне-зимнее время, так как между кулачками заклиниваются смерзшиеся комья грунта, ломающие очистительные устройства катка. В этих условиях применяются катки с решетчатыми вальцами.

Катки с решетчатыми вальцами весьма эффективны при зимних работах, так как они пригодны для дробления содержащихся в грунте мерзлых комьев до допустимых размеров. Кроме того, они хорошо уплотняют также грунты, содержащие гравий и щебень, и потому могут с успехом применяться и для уплотнения гравийных оснований. Загружая эти катки балластом, их массу можно довести до 25 т. При этом толщина уплотняемого слоя грунта в плотном теле достигает 30—35 см.

При укатке несвязных и малосвязных грунтов такой каток погружается в грунт, давит и дробит мерзлые комья и уплотняет нижний слой, затем повторными проходами последовательно уплотняет вышележащий слой грунта. При работе на связных грунтах мерзлые или ссохшиеся комья решетчатыми вальцами давятся.

Типажем машин для уплотнения грунтов предусматривается серийный выпуск прицепных кулачковых катков массой от 9 до 28 г.

Кулачковые катки рассчитаны на тягу серийными тракторами мощностью 55; 75—95 и 105 кет (75; 100—130 и 140 л. с). Наря-ру с прицепными катками намечается также создание самоходных, реверсивных кулачковых катков.

Пневмоколесные катки. Рабочим органом пневмоколесных катков является их ходовая часть в виде колес с пневматическими шинами, смонтированных в один ряд на одной или двух ходовых осях. Над колесами располагается кузов, служащий одновременно и балластным ящиком, который для увеличения рабочей массы катка загружается грунтом, камнем или чугунными плитами.

Пневмоколесные катки (рис. 152) подразделяются на прицепные, полуприцепные и самоходные. По своей массе они делятся на легкие —от 5 до 15 г, средние — от 15 до 50 т, тяжелые — от 50 до 100 т и особо тяжелые— 100—200 т.

В современной практике для уплотнения грунта наиболее распространены прицепные катки, масса которых с балластом 30—50 г, и самоходные —с массой 20—30 г.

Легкие и средние модели катков выполняют обычно двухосными, тяжелые и особо тяжелые — только одноосными.

Число колес у двухосных катков колеблется от 4 до 9. При этом колеса на обеих осях располагают таким образом, что шины задних колес идут по следу междушинного промежутка передних, за счет чего достигается равномерность укатки всей поверхности слоя. Тяжелые одноосные катки обычно имеют только 4—5 колес, расположенных в один ряд.

Рис. 152. Пневмоколесные катки:
а — прицепной; б — полуприцепной; в — самоходный

Одноосный пневмоколесный полуприцепной каток тяжелого типа показан на рис. 153. Основными частями катка являются передняя балка с хоботом; кузов, состоящий из четырех секций, загружаемых балластом; одноосный тягач; задняя балка и пневматическое оборудование.

Секции кузова представляют собой пустотелые плоские ящики прямоугольной формы, которые заполняются балластом. Кузов с помощью кронштейна, приваренного к выносной части хобота, присоединяется к седельно-сцепному устройству тягача. В каждой секции установлено одно колесо с пневматическими тормозами колодочного типа. Пневматический привод колес присоединен к магистрали тягача. Две крайние секции выполнены за одно целое с тяговой рамой катка, а каждая из двух внутренних секций шарнирно соединена с передней балкой рамы и имеет независимое вертикальное перемещение относительно крайних секций. Благодаря такой конструкции при движении катка по неровной поверхности каждая секция независимо от остальных может перемещаться вверх и вниз (рис. 155). Это обеспечивает равномерное уплотнение грунта под всеми колесами и постоянную нагрузку на каждую шину.

Рис. 154. Кривые распределения напряжений в грунте

Зазор между колесами по экспериментальным данным не должен быть более (0,6—0,7) В, где В — ширина колеса. Зазор менее 0,4 В на эффекте уплотнения практически не отражается.

Колеса пневмоколесного катка, в отличие от жестких вальцов, при качении по поверхности грунта не только сжимают грунт, но и деформируются сами, при этом величина деформации зависит от степени уплотнения грунта и давления воздуха в шине. Пневматическая шина, сжимаясь под давлением нагрузки, образует так называемую площадь контакта с грунтовой поверхностью. С увеличением нагрузки на шину эта площадь возрастает, а среднее удельное давление на грунт практически остается постоянным. В связи с этим нагрузку на колесо пневмокатка можно доводить до больших значений, а рабочую массу катка — до 200 т.

Рис. 155. Каток с независимой подвеской к тяговой раме

Глубина уплотнения грунта пневмоколесным катком зависит от размеров площади контакта в конце укатки при условии, что напряжения на этой площади будут достаточно большими. Чем больше площадь контакта колес катка, тем на большую глубину уплотняется грунт.

Степень уплотнения грунта зависит от величины нормальных контактных напряжений (рис. 154) в заключительной стадии уплотнения, а размеры площади контакта шины с грунтом определяют глубину уплотнения грунта.

Давление в шинах устанавливают в зависимости от вида уплотняемого грунта. Для уменьшения износа шин при снижении в них давления необходимо уменьшать вес балласта. Поэтому в конструкциях пневмоколесных катков должно быть предусмотрено быстрое изменение как давления в шинах, так и балластировки. Максимальное давление воздуха в шинах не должно быть ниже 600 кн/м2 (6 кГ/см2), поэтому применение на катках шин низкого давления недопустимо.

В табл. 18 приводятся экспериментально установленные режимы работы пневмоколесных катков.

Таблица 18.

Толщина уплотняемого слоя грунта зависит от размеров шин, давления в них воздуха и нагрузки на колесо. Толщина слоя растет с увеличением размеров шин, поэтому отмечается тенденция к повышению этих размеров. Для тяжелых катков применяют шины размером 18—28” и более. При этом при требуемой плотности толщина уплотняемого слоя (в плотном теле) составляет 40—45 см. При несколько больших размерах шин и весе катка эта толщина достигает 50—60 см.

Пневмоколесные катки успешно работают на насыпях, дамбах и плотинах с неровной или неспланированной поверхностью, так как коэффициент сопротивления перекатыванию у них ниже, чем у катков с жесткими вальцами, и горизонтальный сдвиг грунта получается меньшим. Эти катки уплотняют грунт щ значительную глубину и не разрыхляют поверхность. Поскольку ими можно уплотнять различные грунты при оптимальных режимах напряжений и при значительных площадях контакта шин с грунтом, они, естественно, уплотняют грунт при меньшем числе проходов, чем катки других типов.

Эластичность шин в сочетании с возможностью регулирования давления воздуха в них создает благоприятные условия для уплотнения не только грунтов, но также дорожных оснований и покрытий. Этому способствует то, что пневмоколесные катки не дробят каменные материалы, как машины других типов.

Наиболее высокой маневренностью обладают самоходные катки, которые, кроме того, способны работать челночным способом, поскольку они обычно изготовляются реверсивными.

Типажем машин для уплотнения грунта предусматривается выпуск приценных пневмоколесных катков массой от 12,5 до 100 т, полуприцепных — массой от 15 до 45 г и самоходных — массой 16 и 25 г.