Применяемые при устройстве дорожных покрытий цементобетоны могут иметь разную жесткость. Следовательно, связи между частицами будут разной прочности. Однако все цементобетоны при встряхивании или вибрации обладают ярковыраженными тпксотропными свойствами. В результате таких воздействий связи между частицами этих бетонов полностью разрушаются и сами бетоны по своим свойствам приближаются к свойствам тяжелой жидкости. Поэтому для уплотнения цементобетонов вибрационный метод становится не только пригодным, но и единственным технически целесообразным и экономически выгодным.

В настоящее время ввиду высоких скоростей движения автотранспорта предъявляются повышенные требования к ровности поверхности дорожных покрытий. Эта ровность в значительной мере зависит от качества уплотнения покрытия. Следовательно, машины для уплотнения должны отвечать определенным требованиям. Эти требования в первую очередь касаются интенсивности воздействия рабочих органов машин на слой уплотняемого материала. При излишне высоких удельных давлениях на поверхностях контактов рабочих органов с материалом будет иметь место его пластическое течение (выдавливание) из-под рабочих органов, что при укатке влечет за собой еще и волнообразование, значительно ухудшающее ровность поверхности. Следует отметить, что все дорожно-строительные материалы укладываются и уплотняются слоями, толщины которых иногда весьма незначительны. Поэтому развивающиеся под рабочими органами напряжения не локализируются внутри слоя, а передаются на его основание, которое может быть слабым. В этих случаях излишне интенсивные воздействия повлекут за собой неровности уже не только поверхности уплотняемого слоя, но и его основания, что значительно ухудшит качество работы. Вместе с тем при незначительных удельных давлениях не будет достигнута требуемая плотность уплотняемого слоя. Отсюда можно сделать вывод, что при уплотнении дорожных оснований и покрытий давления под рабочими органами машин должны быть оптимальными. Ввиду того, что сопротивляемость материалов в процессе их уплотнения возрастает, должны также возрастать и удельные давления. Поэтому еще даже в большей степени, чем в случае грунтов, становится актуальным предварительное уплотнение материалов более легкими средствами.

Уплотнение дорожных оснований и покрытий может осуществляться укаткой и вибрационными методами. Применяемые для этого средства механизации могут быть разделены на катки и вибрационные машины. Катки устраивают только самоходными. Они могут быть с гладкими вальцами и на пневматических шинах. На некоторых гладких катках один из вальцов при помощи специального механизма вводится в состояние колебательных движений. Такие катки называются вибрационными в отличие от обычных, называемых катками статического действия. Последнее название условно, так как при работе этих катков на поверхности уплотняемых материалов развиваются циклические нагрузки с высокой скоростью изменения напряженного состояния. Поэтому, строго говоря, эти катки никак нельзя назвать статическими.

Вибрационные машины главным образом применяются для уплотнения покрытий, устраиваемых из цементобетонных смесей. Часто вибрационными агрегатами снабжают машины, которые служат не только для уплотнения, но и для выглаживания бетонной поверхности, а иногда и для распределения бетона.

Катки на пневматических шинах для уплотнения асфальтобетонных и черных смесей стали применять недавно. В отличие от катков с гладкими вальцами эти катки не дробят щебень и поэтому могут уплотнять смеси, составленные из слабых каменных материалов. Кроме того, при движении пневмокатков уплотняемый материал получает более равномерное обжатие, поэтому склонность его к волнообразованию меньше, чем при катках с гладкими вальцами, что допускает более высокие скорости движения. Особенно эффективны эти катки при уплотнении асфальтобетонных смесей с высоким содержанием щебня.

Катки на пневматических шинах с успехом применяют также при уплотнении щебеночных и гравийных дорожных оснований. Песчаные основания могут быть уплотнены этими катками при пониженных давлениях в шинах.

При движении катков поверхность уплотняемого материала подвергается воздействиям циклических нагрузок.

При таком расчете модули деформаций щебеночных и гравийных оснований можно принимать равными 300 кГ/см2 в начале уплотнения и 1000 кГ/см2 — в конце процесса. Асфальтобетонные смеси укладываются тонким слоем 4—8 см, поэтому при перекатывании валец катка деформирует не только сам слой, но и его основание. Поэтому при расчете развивающихся на поверхности контакта напряжений следует принимать какой-то эквивалентный модуль деформации, который меньше модуля основания и несколько больше модуля горячего асфальтобетона. Эквивалентный модуль деформации в начале уплотнения равен 200— 250 кПсм2, а в конце — 500—800 кГ/см2.

Выше отмечалось, что для получения ровного и плотного дорожного покрытия удельные давления на поверхности не должны превышать допускаемых пределов.
средние — с удельным линейным давлением 40—60 кГ/см, весом 6— Ю’т и двигателем мощностью 30—40 л. с;
тяжелые — с удельным линейным давлением свыше 60 кГ/см, весом более Юти двигателем мощностью свыше 40 л. с.

Легкие катки применяются для предварительной подкатки оснований и покрытий, а также для уплотнения тонкослойного песчаного асфальтобетона на тротуарах, велосипедных дорожках и т. п. Средние катки служат для промежуточного уплотнения оснований и покрытий, а также для окончательного уплотнения усовершенствованных покрытий облегченного типа. Тяжелые катки служат для окончательного уплотнения гравийных и щебеночных оснований и асфальтобетонных покрытий.

Рис. 179. Схемы расположения вальцов катков в плане

При уплотнении дорожных оснований и покрытий катками на пневматических шинах давление в них в начале укатки устанавливается равным 2—3 кПсм2, а в конце укатки — 5,5—6 кГ/см2.

По мере уплотнения слоя материала его сопротивляемость внешней нагрузке постепенно повышается, а следовательно, снижается с каждым проходом глубина погружения вальца катка. Это, с одной стороны, ведет к непрерывному повышению развивающегося на поверхности контакта максимального напряжения, а с другой — снижает глубину активной зоны. Последняя определяется минимальным поперечным размером поверхности контакта вальца с уплотняемым материалом. Таким минимальным размером является полухорда, стягивающая ту часть окружности вальца, которая погружена в материал. Величина этой полухорды снижается по мере уплотнения. Оптимальную толщину уплотняемого слоя следует выбирать по глубине активной зоны. Здесь в связи с большой жесткостью уплотняемых материалов оптимальные толщины слоев меньше, чем при уплотнении грунтов.

По величине удельного линейного давления катки разделяются на: легкие — с удельным давлением менее 40 кГ/см, весом 5 т и двигателем мощностью до 25 л. с;

По числу и расположению вальцов катки разделяются (рис. 179) на:
1) одновальцовые (рис. 179, а), а также одновальцовые с поддерживающими вальцами (рис. 179, б) или колесами (рис. 179, в);
2) двухвальщэвые с одним (рис. 179, г) или двумя ведущими вальцами;
3) трехвальцовые двухосные (рис. 179, д);
4) трехвальцовые двухосные с дополнительным вальцом малого диаметра (рис. 179, е);
5) трехвальцовые трехосные с одним (рис. 179, ж) или тремя (рис. 179, з) ведущими вальцами.

Одновальцовые катки относятся к легкому типу. При отсутствии поддерживающих вальцов или колес двигатель и трансмиссия расположены внутри вальца, а рычаги управления вынесены на рукоятку дышла, при помощи которого вручную производятся повороты катка. Поддерживающие вальцы или колеса делают управляемыми; при их помощи и производятся повороты катка.

Двухвальцовые катки (тандем) имеют вальцы одинаковой ширины п бывают легкого, среднего и тяжелого типов. Наиболее совершенным типом является каток с двумя ведущими вальцами. В этом случае ведущие вальцы иногда выполняются несколько большего диаметра, чем ведомый. Один из вальцов при помощи специального механизма может поворачиваться вокруг вертикальной оси, чем достигаются повороты катка. В связи с поворотами ширина вальцов не может быть выбрана излишне большой, так как в противном случае на поверхности покрытия появятся дефекты, и обычно ограничивается 1300 мм. Катки этого типа удобны в эксплуатации и поэтому получили большое распространение.

Трехвальцовые двухосные катки выполняются среднего и тяжелого типов. Задние ведущие вальцы имеют диаметр примерно в 1,5 раза больше, чем передний, и через них передается 2/3 веса катка. Поэтому удельное линейное давление здесь в 2 раза больше, чем под передним вальцом. Уплотнение материала производится в основном задними вальцами, а воздействие переднего вальца, который является направляющим, в расчет не принимается. Задняя ось снабжена дифференциалом, что позволяет легко проходить по кривым малого радиуса без повреждения уплотняемого покрытия. Ширина переднего вальца делается такой, чтобы при движении катка его след перекрывался задними вальцами. Каток имеет хорошую поперечную устойчивость, и, кроме того, такое расположение вальцов способствует удачной компоновке отдельных агрегатов, благодаря чему доступ к ним облегчается. Крупным недостатком катков этого типа является большая сложность в организации работы. Здесь при максимальном количестве проходов весьма трудно обеспечить необходимую и одинаковую плотность слоя по всей ширине дорожного основания или покрытия; обычно количество проходов здесь, больше, чем при катках типа тандем. Поэтому эти катки постепенно вытесняются катками типа тандем.

Кроме того, существуют катки с дополнительным вальцом малого диаметра для повышения ровности поверхности дорожного покрытия. При наезде этого вальца на неровность последняя заглаживается ввиду передачи через валец значительной части веса катка. В случае необходимости этот валец может быть поднят и выключен из работы. По соображениям компоновки он не может быть выбран достаточно большого диаметра, вследствие чего постановка вальца часто не достигает цели. Поэтому этот тип катка не нашел распространения.

Трехвальцовые трехосные катки имеют вальцы одинаковой ширины и выполняются тяжелого и, реже, среднего типов. Наиболее совершенным является каток со всеми ведущими вальцами. Здесь качество работы является наиболее высоким, и поэтому они находят все большее применение.

Катки относятся к числу наиболее старых и вместе с тем широко распространенных дорожно-строительных машин.

Многолетний опыт их эксплуатации позволил выработать технико-эксплуатационные требования к их конструкции:
1) они должны обеспечивать получение необходимой плотности и ровности поверхности;
2) должны быть приспособлены к перевозке на трейлерах;
3) необходимо иметь возможность регулировать вес катка;
4) оператор должен иметь хороший обзор при движении как вперед, так и назад;
5) обороты двигателя должны регулироваться на всех режимах работы, а сам двигатель должен быть приспособлен к работе при большой запыленности воздуха и температуре до +50° С;
6) необходимо предусмотреть одинаковое количество скоростей движения катка как вперед, так и назад;
7) необходимо иметь возможность торможения катка с выключенным двигателем на уклоне I = 0,25;
8) каток должен быть поворотлив; трогание с места, остановка и реверсирование движения должны быть плавными;
9) усилие на рычагах управления не должно быть более 6 кГ.

Поверхность вальцов катков, предназначенных для уплотнения асфальтобетона, должна быть высокого качества и во избежание налипания на них асфальтобетонной массы смазываться смесью мазута с керосином или с нефтью. Конусность вальцов и разность в их диаметрах допускается не более 3 мм.

Общая конструктивная схема катка и примерная компоновка его агрегатов видны из рис. 180. Передний направляющий валец обычно делают сдвоенным, что облегчает его поворот в горизонтальной плоскости. На задние вальцы катка обычно приходится несколько большая нагрузка, чем на передний валец, поэтому они имеют больший диаметр. Для очистки вальцов от налипшего материала служат скребки. Вальцы могут быть литыми из стали или чугуна или сварными. По своей конструкции они могут быть цельными или разборными. Для повышения веса катка к дискам разборных вальцов обычно прибалчивают литые чугунные секторы. Передний валец обычно имеет возможность наклоняться в вертикальной плоскости на угол до 30—35°, что достигается введением в конструкцию крепления вальца к раме катка охватывающей вилки, которую шарнирно (при помощи пальца) соединяют со шкворнем. Это позволяет наезжать одной стороной вальца на неровности покрытия.

В качестве двигателя обычно служит дизель, ось которого перпендикулярна или параллельна оси катка. Поперечное расположение двигателя характерно для двухосных двухвальцовых катков.

Трансмиссии катков выполняются механическими или гидромеханическими. Последние могут быть гидростатическими и с турботрансформа-торами. Наличие турботрансформатора обеспечивает плавное реверсирование движения, что способствует получению ровной поверхности и постоянству режима работы двигателя. Кроме того, здесь облегчается управление и сокращается число ступеней в коробке передач.

Двигатель обычно снабжают муфтой сцепления, что облегчает его запуск, особенно при холодной погоде. Все катки имеют коробку передаче, реверсивный механизм и бортовые передачи. На катках, где двигатель имеет муфту сцепления, реверсивный механизм может устанавливаться как до коробки передач, так и после нее. При отсутствии муфты сцепления реверсивный механизм устанавливается перед коробкой. Вообще реверсивный механизм предпочтительнее размещать после коробки передач, так как в этом случае трансмиссия лучше защищена от перегрузок.

Реверсивный механизм обычно снабжается двумя фрикционными дисковыми муфтами и состоит из конических или цилиндрических шестерен. Управление происходит одним рычагом, причем имеются три положения: нейтральное и включение правой или левой муфты.

Бортовая передача предназначена для передачи крутящего момента на ведущие вальцы катка. Наибольшее распространение получили передачи с цилиндрическими шестернями. Крутящий момент от двигателя к коробке передач передается муфтой.

Рулевое управление служит для поворотов катка. Для осуществления поворота приводится во вращение шкворень. В результате связанный с этим шкворнем валец поворачивается в горизонтальной плоскости. Привод рулевого управления может быть ручным, механизированным и гидравлическим. При ручном и механизированном управлениях передача вращательного движения шкворню от штурвала или привода осуществляется через червячную пару. Иногда в кинематическую цепь дополнительно включается еще коническая пара. При гидравлическом приводе шкворень через насаженный на него рычаг соединяется со штоком гидравлического цилиндра. Выбор привода рулевого механизма зависит от сил, развивающихся при повороте переднего вальца. Если эти силы настолько велики, что, несмотря на постановку механизма с большим передаточным отношением, необходимое усилие на штурвале все же превышает допустимый предел (5—8 кГ), то рулевое управление требуется механизировать.

Силы, действующие на ведомый и ведущий вальцы катка, показаны на рис. 181. Воздействие на уплотняемый материал ведомого и ведущего вальцов различно.

Реактивная сила FL действует на валец со стороны материала. Следовательно, со стороны вальца будет действовать какая-то равная ей и направленная в противоположную сторону сила Fb которая будет сдвигать материал, т. е. способствовать волнообразованию. Поэтому ведомый валец не может обеспечить хорошую ровность поверхности.

На ведущий валец действует вертикальная нагрузка и вес вальца G2, крутящий момент М, а также реакция со стороны рамы катка Т 2. Здесь, как и в предыдущих случаях, реакция грунта может быть разложена на вертикальную R2 и горизонтальную F 2 составляющие. Причем G2 = R2 и Т2 = F2.
Уплотнение материала происходит под воздействием вертикальных сил Gj и G2- Ведущий валец отличается от ведомого тем, что здесь горизонтальная составляющая силы, действующей со стороны вальца на уплотняемый материал (F’2), направлена в сторону, обратную движению катка, т. е. воздействует на уже хорошо сопротивляющийся сдвигу уплотненный материал. Поэтому волнообразование перед ведущим вальцом практически отсутствует. Таким образом, высокая ровность поверхности будет соответствовать ведущему вальцу катка, а не ведомому. Ввиду этого в настоящее время стремятся к исключению из конструкции катков ведомых вальцов. Практика применения катков без ведомых вальцов показывает, что им соответствует высокая ровность поверхности, в несколько раз превышающая ту, которая имеет место при укатке катками с ведомыми вальцами.

На ровность поверхности оказывает также влияние число вальцов катка, расстояние между ними, их диаметр, а также распределение веса между вальцами. Самая высокая ровность поверхности соответствует трехвальцовым каткам типа тандем, т. е. каткам с последовательным расположением вальцов, особенно если все они являются ведущими. Такие катки обычно называют катками безволновой укатки. Если в конструкции имеются ведомые вальцы, то для повышения ровности покрытия нагрузка на них должна быть меньше, чем на ведущие вальцы. Ровность повышается при росте базы катка, т. е. при увеличении расстояния между осями вальцов, однако при чрезмерно большой базе ввиду повышения радиуса поворота ухудшается маневренность катка.

На рис. 182 показано процентное перераспределение веса между вальцами трехвальцового катка при наезде на неровности. Как видно из приведенной схемы, при наезде на неровность нагрузка на валец повышается, что особенно относится к среднему вальцу. Повышение давления способствует устранению этой неровности.

Выше, при рассмотрении процессов укатки грунта, было показано что вальцы должны выбираться возможно большего диаметра. Это правило относится также и к укатке дорожных покрытий. Чем больше диаметр вальцов, тем большей может быть выбрана толщина уплотняемого слоя материала и тем меньше глубина колеи, что уменьшает сопротивление движению, а следовательно, и волнообразование. Это правило должно особенно распространяться на катки, предназначенные для уплотнения щебеночных и гравийных материалов, где толщина уплотняемого слоя значительна. Верхний предел диаметра вальца ограничен конструктивными соображениями.

Во избежание волнообразования первые проходы по еще рыхлому материалу должны производиться на малой скорости (2,0—2,5 км/ч), а последующие (для повышения производительности) — на более высокой скорости (4—12 км/ч). Такой скоростной режим особенно должен выдерживаться при уплотнении асфальтобетона. При перемене направления движения образуется неровность. Поэтому к устройству реверсов катков, предназначенных для уплотнения асфальтобетона, предъявляются повышенные требования. Реверсивные механизмы должны обеспечивать быстрое, но плавное изменение направления движения катка. Для улучшения ровности поверхности повышают скорости укатки до 8—12 км/ч. Это позволяет удлинить одновременно обрабатываемые участки и тем самым снизить число реверсирований.

Обычно коробкой передач предусматривается 3 скорости движения катков. При этом по рекомендации В. Н. Анисимова для более полного использования мощности двигателя скорость движения на первой передаче должна составлять 25—35% от скорости на последней передаче.

Катки, кроме предназначенных только для уплотнения асфальтобетона, должны быть рассчитаны на укатку того материала, который требует затраты наибольшего тягового усилия. Таким материалом является рыхлый щебень.

Муфты, детали коробки передач, реверса и бортовых передач рассчитываются обычными методами. К этим узлам и деталям предъявляются те же требования, что и к деталям автомобилей и тракторов.

Рабочими органами катков на пневматических шинах являются колеса, оборудованные шинами с гладким протектором. Для уплотнения оснований и покрытий применяются только самоходные катки, которые обычно устраиваются двухосными. Каждая ось катка несет на себе от 4 до 7 колес. Зазоры между колесами должны быть минимальными и не превышать 0,5В, где В — ширина профиля колеса. Общий вес таких катков обычно находится в пределах от 15 до 35 т. Вес может меняться в зависимости от балласта катка.

Скорости движения катков обычно изменяются в пределах от 3 до 25 км/ч. Расположение колес на осях принимается таким, чтобы при одном проходе катка без пропусков перекрыть всю укатываемую полосу.

Для этого продольные оси колес передней и задней оси в плане несколько сдвинуты относительно друг друга; поэтому колеса второй оси движутся по полосам, которые оказываются в промежутках между колесами первой оси.

Современные катки позволяют на ходу изменять давление в шинах.

Для этого они оборудованы системой централизованной подкачки шин, управление которой производится из кабины оператора.

Рис. 185. Самоходный каток на пневматических шинах с независимой подвеской колес