Dva stroje, jedna silnice – Jak rekultivátory a grejdry odlišně využívají pohony kol
Rekultivátory silnic a autogrejdry jsou různé stroje, které často pracují na stejném projektu – rekultivátor drtí stávající povrch vozovky a grejdr přetváří recyklovaný materiál do nového profilu vozovky. Oba používají planetové převodovky pohonu kol, ale s principiálně odlišnými požadavky na rychlost, točivý moment a přesnost.
Samojízdný stroj (20 až 35 tun) s řezacím rotorem, který drtí asfalt, beton nebo stabilizovanou zeminu do hloubky 150 až 500 mm. Rotor spotřebovává 300 až 600 HP — 60 až 801 TP3T výkonu motoru. Pracovní rychlost: 2 až 8 km/h. Rychlost jízdy řídí hloubku řezu a velikost částic recyklovaného materiálu: příliš rychlá rychlost vede k hrubému, špatně odstupňovanému výstupu; příliš pomalá rychlost vede k nadměrně zpracovaným jemným částicím, které oslabují podklad. Přesnost rychlosti: ±3 až 51 TP3T pro konzistentní kvalitu recyklace.
Šestikolový kloubový stroj (14 až 25 tun) s radlicí (odhrnovačkou) o délce 3,7 až 7,3 metru namontovanou mezi přední a zadní nápravou. Radlice tvaruje, srovnává a dokončuje povrch vozovky. Pracovní rychlost: 3 až 8 km/h pro hrubé srovnání, 5 až 12 km/h pro dokončovací srovnání. Ovládání radlice pomocí GPS nebo laserového navádění upravuje polohu radlice 10 až 20krát za sekundu na základě signálu o sklonu terénu v reálném čase – a účinnost tohoto nastavení závisí na konstantní a předvídatelné rychlosti jízdy. Přesnost rychlosti: ±1 až 2% pro kvalitu povrchu dle GPS.
Grejdr má unikátní konfiguraci pohonu kol: zadní náprava je tandemová se čtyřmi koly (dvě na každé straně) poháněnými jedinou planetovou převodovkou na každé straně a přední náprava má dvě řízená kola, která mohou, ale nemusí být poháněna. Tandemové zadní uspořádání rozkládá hmotnost stroje na čtyři kontaktní plochy – snižuje tlak na čerstvě srovnaný povrch a zajišťuje trakci na sypkém materiálu tam, kde by se pohon pouze jedním kolem protáčel.
Pohon kol sklízecí řezačky čelí podobné výzvě jako řezačka: řezací rotor spotřebovává většinu výkonu motoru, takže pro pohon zbývá jen omezený výkon. U sklízecí řezačky o výkonu 500 koní, která řeže 300 mm tvrdého asfaltu, může rotor spotřebovat 400 koní – pro pohon kol zbývá pouze 100 koní, aby při rychlosti 3 km/h překonala řezný odpor 30 tun. Účinnost pohonu kol (poměr trakční síly na kolech k hydraulické síle na motoru) přímo určuje, zda stroj udrží cílovou rychlost, nebo se zasekne proti reakční síle řezu.
Tandemová zadní náprava grejdru představuje pro tento typ stroje jedinečný problém s rozložením točivého momentu. Tandemový pohon přenáší točivý moment na čtyři zadní kola prostřednictvím řetězového nebo ozubeného převodu, který spojuje horní a dolní kola na každé straně. Planetová převodovka pohání vstupní hřídel tandemu – a rozdělovací převodovka rozděluje točivý moment přibližně rovnoměrně mezi horní a dolní kola. Pokud se řetěz rozdělovací převodovky natáhne nebo se ozubený záběr opotřebuje, rozložení točivého momentu se stane nerovnoměrným – kolo s větším točivým momentem tlačí silněji a kolo s menším točivým momentem přispívá k menší trakci. Na čerstvě srovnaném povrchu může nerovnoměrný točivý moment zanechat odlišné stopy pneumatik od horních a dolních kol – viditelné jako rovnoběžné oděrky na upraveném povrchu, který měl grejdr vyhladit.
Pohon předních kol grejdru zvyšuje trakci na sypkém povrchu – přední náprava se protlačí materiálem, kterým se zadní tandem sám nedokáže protlačit. Po zapnutí pohonu předních kol se přidá o 30 % více trakce – ale také se přidává odpor řízení (protože poháněná přední kola kladou odpor otáčení) a mění se jízdní vlastnosti stroje. Obsluha musí při zapnutí pohonu předních kol upravit techniku jízdy – a pohon kol musí zajistit plynulé a postupné zapojení točivého momentu bez náhlého nárůstu trakce, který by mohl vytrhnout radlici z polohy řízené GPS.
Přesnost GPS – Jak stabilita rychlosti pohonu kol ovlivňuje kvalitu povrchu vozovky
Moderní grejdry používají GPS nebo laserové navádění radlice, které upravuje výšku a příčný sklon radlice 10 až 20krát za sekundu. Řídicí systém vypočítává požadovanou polohu radlice na základě konstrukčního modelu povrchu a aktuální polohy stroje – a pohybuje hydraulickými válci radlice tak, aby odpovídala. Rychlost nastavení radlice (jak rychle se radlice může pohybovat do správné polohy) je konečná: obvykle 10 až 50 mm za sekundu pro jemné srovnání. Pokud se stroj pohybuje rychleji, než se radlice dokáže nastavit, dochází ke zhoršení povrchu – radlice nemůže přesně sledovat konstrukční profil, protože se neustále snaží dohnat změny polohy vyvolané rychlostí jízdy.
Ten/Ta/To planetová převodovka pohonu kol musí dodávat konstantní rychlost, aby odpovídala možnosti nastavení radlice. Pokud se rychlost od pojezdu mění o ±51 TP3T (z důvodu zaseknutí ozubených kol, změny trakce nebo kolísání hydraulického tlaku), systém řízení radlice přijímá nepřetržitě se měnící vstupní signál o rychlosti – a musí upravovat polohu radlice tak, aby kompenzoval změnu rychlosti a také změny v designu povrchu. Tento požadavek na kompenzaci rychlosti spotřebovává šířku pásma pro nastavení radlice, která by měla být k dispozici pro korekce přesnosti povrchu – čímž se snižuje dosažitelná tolerance povrchu z ±3 mm (při konstantní rychlosti) na ±8 až 12 mm (při změně rychlosti ±51 TP3T).
Ekonomická hodnota této přesnosti je značná. Povrch vozovky upravený s tolerancí ±3 mm splňuje specifikaci Mezinárodního indexu drsnosti (IRI) pro vozovku dálnic bez korekce. Povrch upravený s tolerancí ±10 mm vyžaduje frézování a překrytí – což představuje příplatek 2 až 5 USD za metr čtvereční korekce. Na jízdním pruhu o rozměrech 1 km x 7 m (7 000 m2) je rozdíl v nákladech mezi tolerancí povrchu ±3 mm a ±10 mm 14 000 až 35 000 USD – což lze přímo připsat stabilitě rychlosti pohonu kol, na které závisí ovládání radlice grejdru.
Požadavek na konzistenci rychlosti ovlivňuje i rekultivátor – ale z jiných důvodů. U rekultivátoru řídí rychlost vůči zemi počet nárazů rotoru na běžný metr povrchu vozovky. Při rychlosti 3 km/h s rotorem při 150 ot./min a 20 řeznými nástroji dosáhne povrch přibližně 600 nárazů na metr. Při rychlosti 4 km/h (o 33% rychlejší) klesá hustota nárazů na přibližně 450 na metr – což vede k hrubšímu a méně rovnoměrně odstupňovanému výstupu. Pevnost v tlaku recyklovaného základního materiálu závisí na distribuci velikosti částic, která zase závisí na hustotě nárazů. Rekultivátor, který mění svou rychlost o ±10% po šířce vozovky, vytváří podkladovou vrstvu s proměnnou pevností – čímž vytváří rozdílné vzory sedání, které se projeví jako trhliny a vyjeté koleje v hotovém vozovce během 2 až 5 let provozu.
Provoz při asfaltové teplotě – Pohony kol na horkém recyklovaném materiálu
Recyklátory silnic, které provádějí horkou recyklaci na místě (ohřev stávajícího asfaltu před frézováním), produkují recyklovaný materiál o teplotě 100 až 160 °C. Kola recyklátoru projíždějí tímto horkým materiálem – a pneumatika a pohon kol jsou vystaveny povrchovým teplotám, které daleko překračují běžné zemědělské nebo stavební podmínky. Teplota skříně pohonu kol může dosáhnout 70 až 90 °C v důsledku sálavého a vodivého přenosu tepla z horkého recyklovaného materiálu – což zvyšuje vnitřní teplotu oleje na 100 až 120 °C i za mírných okolních podmínek.
Těsnicí materiál musí tuto zvýšenou teplotu odolávat nepřetržitě během recyklačního průjezdu – obvykle 2 až 4 hodiny na kilometr jízdního pruhu. Standardní těsnění NBR (s teplotní odolností 100 °C) jsou mezní; těsnění FKM (s teplotní odolností 200 °C) poskytují dostatečnou rezervu. Směs pneumatiky musí také odolávat kontaktu s horkým materiálem – standardní pneumatiky změkčují a urychlují opotřebení při teplotách nad 80 °C a některé společnosti pro recyklaci za horka používají pro zadní nápravu, která prochází přímo zahřátým materiálem, tepelně odolné směsi pneumatik nebo ocelová kola.
Recyklátory za studena (které přidávají cement, vápno nebo bitumenovou emulzi do práškového materiálu bez zahřívání) pracují při okolní teplotě – chemické přísady však představují svá vlastní omezení pro pohon kol. Cementová kaše (pH 12 až 13) stříká na skříň pohonu kol a napadá standardní těsnění a barvu. Bitumenová emulze pokrývá skříň lepkavou vrstvou zadržující teplo, která snižuje účinnost konvekčního chlazení – zvyšuje teplotu oleje o 10 až 15 stupňů Celsia nad základní teplotu čisté skříně. Oba typy chemikálií vyžadují denní tlakové mytí povrchů pohonu kol, aby se zabránilo kumulativnímu hromadění povlaku.
Výběr pneumatik u recyklátorů také ovlivňuje specifikaci pohonu kol. Při horké recyklaci na místě procházejí zadní pneumatiky materiálem o teplotě 100 až 160 stupňů Celsia – a standardní pryžové směsi při těchto teplotách rychle měknou, deformují se a opotřebovávají. Některé recyklátory s horkou recyklací používají pro řezný průchod ocelová kola na zadní nápravě a pro přepravu po silnici přecházejí na gumové pneumatiky. Konfigurace ocelových kol mění poloměr odvalování o 5 % na 151 TP3T ve srovnání s gumovou pneumatikou – a převodový poměr pohonu kol musí tuto změnu zohledňovat, aby se udržela správná rychlost řezání. Dvoustupňová převodovka nebo motor s proměnným objemem poskytuje flexibilitu pro optimalizaci rychlosti jak pro režim řezání ocelovými koly, tak pro režim přepravy gumovými pneumatikami.
Tři režimy selhání pohonů kol rekultivátorů a grejdrů
Řezný rotor shrnovače silnic generuje v místě upevnění pohonu kol vibrace o síle 3 až 15 g – srovnatelné s drtičem kamene. Každý nástroj s karbidovým břitem, který narazí na asfaltový povrch, vyvolá náraz, který se šíří rámem stroje k pohonu kol. Vibrace způsobují stejné poškození ložisek zvané falešný Brinellingův efekt a tření zubů ozubených kol, jaké je popsané u drtičů kamene (WD-07) – ale s poněkud nižší amplitudou, protože rám shrnovače je těžší a tužší než rám drtiče kamene, což zajišťuje lepší tlumení vibrací. Pohon kol musí být i nadále vybaven zvýšeným předpětím ložisek a závitovými spoji – standardní specifikace převodovek pro stavbu silnic nejsou dostatečné.
U grejdrů s GPS naváděním pulzace rychlosti pohonu kol o ±3 až 5% spotřebovává šířku pásma pro nastavení radlice a snižuje dosažitelnou toleranci povrchu z ±3 mm na ±8 až 12 mm. Pulzace může pocházet ze tří zdrojů: ozubení v záběru ozubených kol (periodické, na frekvenci záběru zubů), zvlnění hydraulického čerpadla (periodické, na frekvenci pístu čerpadla) a kolísání trakce (náhodné, v důsledku změny přilnavosti povrchu). Z nich je ozubení v záběru ozubených kol nejproblematičtější, protože je kontinuální a nelze jej kompenzovat systémem řízení radlice – systém ji považuje za skutečnou změnu rychlosti a odpovídajícím způsobem upravuje radlici, čímž vytváří periodické zvlnění povrchu na vlnové délce ozubení. U grejdrů pracujících rychlostí 6 km/h s převodovkou 40:1 a 30zubým výstupním ozubeným kolem je vlnová délka ozubení přibližně 55 mm – viditelná jako jemné zvlnění v upraveném povrchu, které je detekovatelné pravítkem, ale může projít měřením IRI. Postupem času dopravní zatížení přednostně opotřebovává vrcholy zvlnění – čímž vzniká postupně drsnější povrch, který nakonec nesplňuje prahovou hodnotu IRI a vyžaduje nákladné broušení.
Při recyklaci za tepla na místě absorbuje skříň pohonu kol sálavé a vodivé teplo z recyklovaného materiálu o teplotě 100 až 160 °C. Teplota povrchu skříně může dosáhnout 70 až 90 °C, což zvyšuje vnitřní teplotu oleje na bod, kdy standardní minerální olej a těsnění NBR dosahují nebo překračují své tepelné limity. Čtyřhodinový recyklační cyklus za tepla v letním dni (teplota okolí 35 °C) může vést k trvalým teplotám oleje 115 až 130 °C – což jsou podmínky, které degradují minerální olej během 100 až 200 hodin a ztvrdnou těsnění NBR během jediné sezóny. Tepelné poškození se hromadí s každou recyklací za tepla a nelze jej vrátit zpět pouze výměnou oleje – materiál těsnění je nutné po ztvrdnutí vyměnit.
Často kladené otázky
Společnost Korea Ever-Power dodává pohony kol pro silniční stavby s točivým momentem od 5 000 do 40 000 Nm pro recyklátory, stabilizátory a grejdry s přesností rychlosti na úrovni GPS a tepelnou ochranou proti horké recyklaci.
Střihač: Cxm
