Prudký rozvoj stavitelství a dopravy v současné době způsobil, že stavební stroje pracují všude kolem nás. Drtivá většina těchto strojů již dnes používá různé technologie, které mají za cíl optimalizovat pracovní proces a snížit náklady na provoz stroje. Na základě těchto optimalizačních procesů pak fungují automatizované nebo poloautomatizované stroje. Nejvyššího stupně automatizace se v současné době dosahuje u kontinuálně pracujících stavebních strojů, kde je tento trend nejvíce patrný u strojů pro stavbu komunikací jako jsou grejdry, finišery, hutnící válce a také silniční frézy. Ve všech případech je ale velmi nutné znát materiál, se kterým tyto stroje pracují. Ne jinak je tomu u vibračního válce. Jedná se o stroj, u něhož vývoj optimalizačních technologií zvláště závisí na kontinuálním určení míry zhutnění povrchu zpracovávaného podloží. V ideálním případě by stroj měl naměřit potřebné údaje o zemině a jejích mechanických vlastnostech a podle toho přizpůsobit velikost a frekvenci hutnící síly.
Determinace míry zhutnění
Hlavním problémem jakékoliv hutnící techniky včetně vibračních válců je stanovení míry zhutnění podloží. Obzvláště se pak tento problém projevuje u nehomogenních materiálů jako jsou zeminy, jejichž vlastnosti mají značný rozptyl v závislosti na vzájemném poměru hlíny (písku), vody a vzduchu. Tento problém se projevuje i u asfaltových povrchů, protože pokud použijeme metodu měření odskoků běhounu, jsou hodnoty částečně ovlivněny podkladovou vrstvou skládající se právě z nehomogenních materiálů jako je zemina apod.
Simulace hutněného podloží v interakci s běhounem vibračního válce
Jednou z nejpoužívanějších online metod pro určení míry zhutnění je měření odskoků běhounu od hutněného povrchu. Avšak ani tato metoda nemusí být vždy zcela použitelná a to zvláště při stavbě komunikací a staveb na značně pružném podloží. Pro determinaci korektní hodnoty míry zhutnění během hutnících prací, a to pro jakoukoliv metodu měření, je třeba ověřit vhodnost použitých algoritmů. Jednou z možností ověření je simulace hutnění zeminy. Nejznámější z modelů zeminy, který byl mimo jiné testován a prověřován měřeními, sestavil Barthelt. Jeho model předpokládá částečně dvoustranou vazbu mezi základem a běhounem (Obr. 1). Pro účely simulací byl tedy vytvořen Barthletův model zeminy v programu AMEsim. Bartheltův model zeminy se dá velmi dobře využít při simulacích hutnění zeminy. Jak bylo zmíněno výše, na poměru jednotlivých složek zeminy velmi závisí její mechanické vlastnosti. Tyto vlastnosti zeminy pak výrazně ovlivňují celý proces hutnění, velikost odskoku běhounu válce apod. V případě simulací není problém odzkoušet mnoho možných vlastností zemin a následně určit, pro jakou zeminu použít jakou frekvenci a intenzitu hutnění. Ve výsledku by stroj již nemusel nepřesně určovat míru zhutnění, ale podle daných vlastností podkladu by přednastavil parametry hutnící síly a případně by docházelo pouze ke korekcím v závislosti na informacích o zhutnění.
Obr. 1: Schéma Bartheltova modelu
Simulovány jsou dva stejné přejezdy s časovou prodlevou několika vteřin. Hodnoty tuhostí (k, k1, k2) jsou použity dle Barthelta, tlumení je nastaveno na cca 4 % hodnotu tuhostí a v modelu je kvůli stabilitě výpočtu. Běhoun působí na zeminu silou od budiče vibrací se střední hodnotou posunutou o tíhu části stroje (běhoun + část rámu). Tato síla má své maximum s nárůstem a klesáním sinusového průběhu v závislosti na čase, čímž je simulován přejezd vibračního válce po jednom bodě. Hodnoty hutnících účinků odpovídají tahačovému vibračnímu válci.
Barthletův model spočívá v několika pružných, ale nevratných elementech (tuhosti k1 a k2). To je zásadní problém při simulaci nejen hutnění, ale i obdobných procesů, protože tyto nevratné prvky nejsou obsaženy v knihovnách AMESIM (ani jiných softwarů) a je tedy nutné tento problém nějak obejít. Možností je hned několik. Jednou z možností je ovládat velikost tlumení u těchto pružin. Tlumení by významně narostlo ve chvíli, kdy by síla působící z hora polevila a mělo by dojít ke zpětnému pohybu. Zde je otázkou, jak rychle by docházelo k nárůstu tlumení a zdali by vůbec došlo k zastavení vratného posunu blokovaných pružin. Další možností je využití hydraulických prvků s „ideálními” charakteristikami (Obr. 2). V systému AMESIM to znamená nastavení vybraných parametrů na max. nebo na min. hodnoty. Odpovídajících vlastností (plasticity) je dosaženo použitím jednosměrných ventilů. Tyto hydraulické prvky jsou podstatou celého modelu umožňujícího dosáhnout postupného zvyšování stupně zpracování (zhutnění) materiálu.
Obr. 2: Schéma Barthletova modelu v systému AMESIM
Hydraulická část Bartheltova modelu zeminy je sestavena z následujících prvků: tři přímočaré hydromotory, dva pružinové akumulátory s odpovídajícími tuhostmi daných prvků v Bartheltově modelu zeminy a dva jednosměrné ventily. Jednosměrné ventily způsobí, že kapalina vtlačená do akumulátoru již nemůže zpět a tím dochází k nevratnému stlačování pružiny akumulátoru.
Stlačení zpracovávaného materiálu (zeminy) a tedy i její zhutnění je v tomto modelu v první fázi větší než reálné. To je ale způsobeno malým předpětím hutněného povrchu (velmi nakypřený materiál).
Toto předpětí a předhutnění lze nastavit změnou předpětí pružinových akumulátorů. Z výsledků je však zřejmé (Obr. 3), že po prvotním zhutnění (předhutnění v čase 0 až 2 sekundy) už dochází ke stlačení povrchu s hodnotami očekávatelnými i v praxi. Rovněž je také viditelné, že ke stlačení dochází při úderu běhounu na povrch a také, že v okolí maximální hutnící síly roste velikost stlačení. Mimo to je i patrné, že na počátku přejezdu hutněného místa bylo stlačení při stejné síle větší, než stlačení při stejné síle na konci přejezdu. To svědčí o zvýšení míry zhutnění zeminy. Jak je uvedeno výše, vhodným ukazatelem míry zhutnění nehomogenního podloží je odskočení běhounu od povrchu, což je mimo to rovněž závislé na působící síle a na vzdálenosti této síly od zpracovávaného místa.
Obr. 3: Přetvoření hutněného podkladu
Při menším zhutnění nedochází k tak výraznému odskoku jako u většího. To je patrné z grafu (Obr. 4), kdy maximální odskok při prvním přejezdu vibračním válcem (předhutnění) je menší než při druhém přejezdu. Ve skutečnosti není odskok běhounu tak značný a naopak rozdíl odskoků mezi jednotlivými přejezdy je výraznější. To však lze ovlivnit nastavením jednotlivých parametrů modelu. Taktéž lze nastavit, jak bylo zmíněno, výší předhutnění zeminy zvýšením předpětí hydraulických akumulátorů. Od posledního výzkumu se však bohužel nezměnila časová náročnost výpočtů pro takto vytvořený model.
Obr. 4: Změna odskoku stroje od hutněného podlož mezi jednotlivými přejezdy
Využití modelu zeminy a jeho rozšíření o budič vibrací
Budič vibrací je zařízení fungující na velice jednoduchém principu, avšak existují i zde složitější typy, které umožňují regulaci výsledné působící síly do povrchu, aniž by docházelo ke snížení frekvence otáčení nevývažků. Byl vytvořen regulace schopný model budiče s výbornou stabilitou, který byl prezentován na konferenci DTDT 2007. Bohužel ale tento model neměl příznivou energetickou bilanci pro regulaci škrcením na hlavních výkonových větvích hydraulického obvodu. Nyní je ve vývojové fázi nový koncept budiče vibrací osvobozeného od problémových komponentů předchozí koncepce. Tato nová koncepce má nedostatky ve snížení max. provozního tlaku kvůli děliči průtoku složeného ze dvou zubových hydrogenerátorů. Všechny ostatní parametry tohoto budiče jsou prozatím příznivé.
Obr. 5: Nová koncepce hydraulického okruhu budiče vibrací
Model zeminy je v současnosti připraven na propojení s mechatronickým obvodem budiče vibrací vibračního válce. Po propojení těchto dvou modelů, včetně všech zpětných vazeb systému hydraulického okruhu vibračního válce a vlastností modelu zeminy jako je např. i informace o stavu zhutnění povrchu, bude možné testovat tento komplexní model hutnění podloží a bude možné optimalizovat celý technologický proces hutnění. Mimo to bude rovněž možné zjistit optimální nastavení budiče vibrací pro zeminu s konkrétními vlastnostmi. Tyto simulace tak mohou významnou měrou přispět ke zvýšení kvality hutněných povrchů a snížení nákladů na provoz použité techniky.
Publikovaných výsledků bylo dosaženo za podpory Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy České republiky, výzkumný záměr MSM 0021630518 „Simulační modelování mechatronických soustav” a dále grant FRVŠ G1 904/2008 „Výukový model mechatronických soustav řešených propojením více druhů prvků”.
