Съвременни технологии и автоматизация при фрезите за асфалт
Самоходните машини за студено фрезоване на асфалтови настилки се появяват в края на 70-те години на ХХ в. За тези над четири десетилетия еволюция фрезите за асфалт се превърнаха във високотехнологични машини, разчитащи все повече на модерни електронни системи за нивелиране и управление. Развитието на тази техника през последните 5-6 години е белязано от все по-актуалната тенденция за автоматизация на работните процеси и свеждане на човешкия фактор до минимум.
Текст: списание Инфрабилд
снимка: Wirtgen
Фрезите за асфалт са едни от най-често срещаните машини при ремонтите на улици и пътища. Въпреки това изборът от производители е доста ограничен в сравнение с асфалтополагачите и валяците. В момента фирмите, които се занимават с ремонти и рехабилитация на пътища в Европа, разчитат основно на три марки: Bomag, Caterpillar и Wirtgen. До този малък брой производители се стигна след поредица сливания и поглъщания, при което някои компании обединиха собствената си гама с тази на придобитата фирма или решиха да развиват гамите от асфалтополагачи и валяци, а фрезите просто отпаднаха като продукт. Разбира се, това създава благоприятни условия за китайски компании като XCMG и Shantui да атакуват европейския пазар, което вероятно ще се случи в близко бъдеще.
Принципни конструктивни решения
В зависимост от условията за работа, необходимата производителност и желания краен ефект от работата им фрезите могат да се разделят на три основни класа. Малкият клас включва машини с работни ширини 300 мм, 500 мм и 600 мм. Работните дълбочини са до 210 мм. Задвижването на ротора с ножовете става с директна механична предавка за максимална мощност при работа. Съвсем компактните размери на машините позволяват лесно транспортиране и ефективна работа по тесни улици.
Характерно за малките фрези е, че тяхната ходова част е колесна - с три или четири колела, а роторът с ножовете е разположен между задните колела. Предните колела (колело) на най-съвременните модели са на специално окачване, което от една страна осигурява съвсем малък радиус на завиване, в т.ч. фрезоване в кръг около капак на улична шахта, а от друга, възможност за запазване на работната дълбочина в случай, че се наложи те да преминат върху някакво препятствие - например да се качат за момент върху тротоара на улицата. Задното дясно колело е монтирано на подвижна колона, позволяваща то да се премества напред. Така роторът се открива отдясно и след хидравлично повдигане на дясната странична плоча става възможно да се фрезова прецизно в непосредствена близост до някакво препятствие, например бордюр. Лявото колело е на фиксирана колона.
Важна специфика на малкия клас е т. нар. задно разтоварване. Това означава, че фрезованият материал се подава към лентов транспортьор, монтиран външно към задната част на машината. Той е насочен назад (обратно на посоката на движение), което налага самосвалът, събиращ разкъртения асфалт, да следва фрезата. При съвременните малки фрези височината на разтоварване може да се регулира, а самият транспортьор да се завърта наляво и надясно.
Средният клас фрези за асфалт включва модели с работни ширини 1000 мм, 1200 мм, 1300 мм, като работните дълбочини са до 330 мм (роторът също е с директна механична предавка). Клиентите могат да поръчват допълнително и по-тесни барабани с ножове - дори от 300 мм. Това е най-масовият и популярен клас и тук производителите предлагат различни варианти и комбинации от ходова част, посоки на разтоварване на фрезования материал и разположение на ротора. В общия случай в средния клас се предлагат модели с колесна или верижна ходова част, които обаче са с предно разтоварване, т.е. лентовият транспортьор, зареждащ самосвала, е монтиран към предната част на фрезата и камионът се движи пред нея. Роторът може да бъде разположен централно или между задните колела/вериги. Близостта на барабана до центъра на тежестта на машината е предпоставка за по-висока производителност.
За целите на предното разтоварване се използва междинен конвейер, който подава разкъртения асфалт от ротора към изходящия лентов транспортьор. Голямото предимство на този концепция е, че операторът може да следи удобно натоварването на камиона, който е пред погледа му. Wirtgen произвежда също колесни модели със задно разтоварване и работна ширина 1000 мм и 1200 мм, които като цяло следват концепцията на малките машини.
При фрезите от среден клас с предно разтоварване ходовата част използва четири колони - по една за всяка верига или колело. Всяка колона може да завива или да се регулира по височина хидравлично, което дава големи възможности за автоматично поддържане на зададената работна дълбочина чрез съвременни електронни системи. Ако роторът е между задните колела/вериги, задната дясна колона може да се измества напред и след хидравлично повдигане на дясната странична плоча той се открива и позволява прецизно фрезоване в непосредствена близост до бордюр или друга преграда. Специфично оборудване при машините в средния клас е системата за прахоподтискане, която намалява емисиите на фини прахови частици по време на фрезоване.
От своя страна големите фрези са предназначени за работа на мащабни обекти като автомагистрали и летища, където скоростта на работа и производителността са от изключително значение. Основните работни ширини са 1500 мм, 2000 мм, 2100 мм, 2200 мм и 2500 мм, като е възможно да се работи и на 4400 мм. Работните дълбочини достигат 350 мм. За тези машини е характерно предното разтоварване с прахоподтискане и верижната ходова част, като всяка верига е на отделна колона с хидравлично регулиране по височина и завиване. Големите фрези се отличават с централно разположение на барабана с ножовете. Специфично при някои от големите модели е използването не на един, а на два дизелови двигателя. Целта е да се оптимизира разходът на дизел при спомагателните операции, като например придвижване на собствен ход, с цел спестяване на гориво.
Технологично развитие при работните органи
Еволюцията при работните органи - барабани и особено ножове, върви в няколко основни направления: конструкция на ножа, използвани материали, схема на подреждане на ножовете по ротора и бързина при подмяна. Обикновено всеки нож е съставен от десетина компонента, като главните са основа, заварена към барабана, държач и връх. Тази сравнително сложна конструкция е обусловена от фактори като надеждност, лесна подмяна, по-бавно износване и оптимизиране на разходите за поддръжка. Върхът на ножа обикновено е от карбидна стомана. Но се предлагат ножове и с диамантени върхове, използвани основно за фрезоване на асфалтови повърхности, където няма препятствия - например по магистрали и летища. По изчисления на производители диамантените върхове издържат от 40 до 80 пъти повече от стандартните и осигуряват до 15% по-нисък разход на гориво. Разбира се има и голям избор от варианти на ножове в зависимост от настилките, които се фрезоват най-често: универсални, за твърд или мек асфалт, за бетон и др.
От съществено значение е подходящата схема на разполагане на ножовете по самия ротор. Обикновено те се подреждат по две спирали, които тръгват от външния ръб на барабана и се срещат по средата. Това осигурява по-висока скорост на изкъртване на старата настилка и насочване на материала към центъра за по-ефективно подаване към поемащия конвейер. При някои варианти, в центъра на ротора, между ножовете има малки лопатки с цел максимално ускоряване на подаването към конвейера. При стандартните ротори разстоянието между ножовете е 12 мм, 15 мм или 18 мм. За фино фрезоване на тънки слоеве, например до 100 мм или до 50 мм, това разстояние може да бъде 8 мм или 6 мм, което е съпроводено и с по-големия брой ножове, монтирани по ротора.
В днешно време е изключително актуален въпросът за селективното фрезоване на старата асфалтова настилка слой по слой. Това създава предпоставки за значително повишаване на ефективността от рециклирането й в асфалтосмесител (поотделно фрезоване и рециклиране на износващия се слой, биндерa и битумизираната баластра). Тук трябва да се отбележи, че селективното фрезоване не води до съществено забавяне на целия процес. Тъй като работната дълбочина е малка, машината работи доста по-бързо. Практиката показва, че в зависимост от работните условия, големината на фрезата и особеностите на асфалтовото покритие фрезоването на дадения участък на два или три слоя може да стане за същото или дори за по-кратко време, отколкото ако с едно минаване се премахва цялата настилка.
Този резултат донякъде идва от факта, че съвременните производители залагат като базови настройки типично селективно фрезоване. И това е разбираемо предвид ясната и конкретна политика на ЕС за рециклиране на строителните материали. Голямо значение днес се отдава и на скоростта на смяна на ножовете или на целия барабан с друг. За целта всеки производител е разработил своя система за бърза подмяна на износваемите елементи на ножовете, но все пак на местно ниво е много важно и как се справят сервизните техници на вносителя или на пътноремонтната фирма. Скоростта на смяна на целия ротор също може да наклони везните. Съществуват системи за бърза смяна на ротори с еднаква ширина (стандартния барабан например с ротор за фино фрезоване) в диапазон от 30 до 90 мин, а при големите фрези и до 15 мин.
Съвременни системи за нивелиране и управление
При фрезоването на асфалт е от изключителна важност необходимите наклон и работна дълбочина да се поддържат постоянно и прецизно в целия участък от обработваната повърхност. Тук има два основни фактора. От една страна, при съвременните фрези роторът с ножовете е фиксиран към рамата, а неговото контролирано спускане надолу със зададена конкретна дълбочина на фрезоване става чрез регулиране на височината на самата машина - както бе посочено в началото, тя е разположена върху колони, завършващи с колела или вериги, които се регулират по височина хидравлично. Тази концепция осигурява необходимата стабилност на машината.
От друга страна съвременните фрези са оборудвани с модерни електронни системи за нивелиране и използват като стандартно оборудване различни видове сензори - например в хидравличните цилиндри на плочите отстрани на фрезоващия барабан за контрол на работната дълбочина, както и сензор за напречния наклон. Производителите предлагат също и допълнителни системи от сензори: например система за сканиране на зоната пред ротора, напречна телескопична мачта със сензори отдясно или отляво на барабана, система от ултразвукови сензори (до 4 бр.), разположени отпред и отзад на шасито на фрезата и др. подобни, контролиращи профила на фрезоване според референтна повърхност или корда.
Електронната система за нивелиране дава възможност за автоматизиране на някои функции. Хидравличното регулиране на колоните по височина позволява компенсиране на неравности по пътя и автоматично поддържане на зададените дълбочина и наклон на фрезоване. Ако едно колело или верига се качи върху изпъкнала неравност или хлътне надолу, появилата се разлика във височината се изравнява автоматично от управлението на колоните. Такава система, компенсираща неравностите в профила на настилката, позволява на машината да се самонивелира автоматично.
Съвсем очаквано, и при фрезите се появиха "асистенти", т.е. системи за насочване на оператора, които го подпомагат да постигне желания резултат по най-ефективния начин. Системата Mill Assist на Wirtgen например взема работни параметри като дълбочина и скорост на фрезоване, обороти на двигателя, количество вода за охлаждане на ротора и др. подобни и съставя огромен брой комбинации от тях. Така машината реагира интелигентно и динамично към промените на работните условия. Mill Assist поема в голяма степен отговорността за работата на фрезата вместо оператора, като му предлага винаги най-благоприятното съотношение между производителност на фрезоване и експлоатационните разходи. Системата сама може да определи работните си параметри, да информира оператора дали работи икономично. Освен това го насочва в движение какво трябва да прави. Например, ако по проект трябва да се фрезоват 200 мм и операторът е избрал режим ЕСО, Mill Assist може да му препоръча фрезата да мине два пъти и да отнема всеки път по 100 мм.
Много практична е системата Wirtgen Performance Tracker (WPT). Тя позволява да се документира прецизно и надеждно действително извършеното фрезоване с дадена машина. WPT използва лазерен скенер, с който измерва в напречен разрез фрезования профил (дължина, ширина, дълбочина). Площта и обемът на фрезоване се калкулират точно чрез спътникови данни за позициониране и няколко сензора. Самият оператор може да следи най-важната информация в реално време от дисплея пред себе си.
След приключване на фрезоването автоматично се генерира доклад във формат Excel и PDF, в който фигурират данните от извършената работа и разходът на гориво. Той се изпраща по и-мейл до съответния ръководител. Основно предимство на WPT е възможността да се изчислят точно разходите по изпълнението на обекта, както и да се направят обективни сравнения между производителността и ефективното оползотворяване на ресурса на фрезите в машинопарка на фирмата. Така може да се прецени действително коя фреза е най-подходяща за даден вид обекти.
Съвременни системи за автоматизация
Върхът на технологиите днес обаче е пълната автоматизация на процеса и триизмерното управление. Високото ниво на нивелиращата електроника и използваните сензори при водещите производители гарантират, че добавянето на 3D-системата става бързо, лесно, и с минимум разходи. Някои компании подхождат много практично като подготвят фрезите си фабрично за включване на оборудването за автоматизация и 3D-управление. Тази допълнителна система се доставя обикновено от някой от водещите световни производители като Topcon, Trimble или Leica - според предпочитанията на клиента.
Тази концепция започва да става все по-популярна сред българските фирми в пътното строителство и ремонтите. Вече има компании като Грома Холд, Европейски пътища, Щрабаг, Пътища и мостове и др., които я използват с фрези от Wirtgen, и са впечатлени от постигнатото качество, прецизност, производителност, бързина, и осезаеми икономии на разходи.
Основните компоненти на системата за автоматизация и 3D-управление са сканиращо устройство за подготвяне на дигитален проект и съответно за фрезата - допълнително компютърно управление с вградени приемници, цветен дисплей, две сателитни антени (призми) и една радиоантена. За малките фрези е предвидена допълнителна рамка за монтажа на антените. Отделно се използва и базова станция с радиовръзка за коригиращи сигнали, осигуряващи максимално прецизно позициониране на фрезата.
За да се реализира пълната автоматизация на фрезоването, най-напред трябва се изготви дигитален проект. Обикновено това се прави от технически ръководител на фирмата изпълнител, който трябва да бъде обучен за това. Първата стъпка е да се сканира пътя, който ще се ремонтира. За целта сканиращото устройство се монтира на лек автомобил и техническият ръководител преминава по предстоящото за ремонт трасе със скорост около 20-30 км/ч. Сканираният участък в дигитален формат се сваля на компютър. След това чрез специализиран софтуер се задават съответните наклони и дълбочини на фрезоване. Така полученият проект се експортира като файл и чрез флаш памет се прехвърля в компютърното управление на 3D-системата, където се зарежда.
След стартирането на фрезата компютърното управление на 3D-системата постоянно обработва постъпващите сателитни и радиосигнали за географското и пространственото разположение на машината. То комуникира с нивелиращата електронна система на фрезата и на база на заредения дигитален проект определя какво трябва да бъде нивото на фрезоване като наклон и дълбочина във всеки един момент. Забележителното при тази технология е, че операторът не избира стройностите за нивото на фрезоване, а те се определят от 3D-управлението и автоматично се подават към нивелиращата система на фрезата. Днес все повече се предпочита използването на базова станция с радиовръзка, която не се прекъсва например при преминаване на по-големи превозни средства (камиони), както е при лазерните системи.
Една от големите ползи от прилагането на 3D-технологията е по-краткото време за изпълнение на обектите. Сканирането на участъка за ремонт от 20-30 км например може да стане в първия ден, а на втория - да се обработят резултатите от скенера и да се изготви дигиталния проект (в зависимост от опита и способностите на проектанта). На третия ден може вече да се фрезова. За същия участък, при конвенционалния подход, опъването на корда, фиксирането и нивелирането на колчета изисква много повече време и персонал - в пъти повече.
Друго голямо предимство е постигането на напълно равна фрезована повърхност, което в последствие ще се отрази на асфалтополагането и постигането на най-високо качество на изпълнение на пътния ремонт. При това за този резултат не е необходимо операторът да има голям опит, което е от съществено значение предвид увеличаващия се глад за опитни оператори и дори за каквито и да са оператори. В случая се елиминира ролята на работника, който върви напред и казва на оператора на фрезата колко сантиметра работна дълбочина е написал геодезиста върху асфалта. На екрана на триизмерното управление операторът вижда къде се намира фрезата според проекта. Неговите задачи се свеждат до това да задава посоката на движение на фрезата и да следи подаването на фрезования асфалт към коша на самосвала.
Значително преимущество е, че, след приключване на фрезоването, оборудването на 3D-системата заедно със заредения в нея проект може да се монтира на асфалтополагача, който ще работи на същия участък. След стартирането му се избира не фрезоване, а полагане на асфалт.В случаите, когато фрезата трябва да отиде на друг обект заедно с 3D-системата, тогава за асфалтополагача също има ефективни варианти. Той може да се оборудва например с дълга хоризонтална мачта със система от сензори за вземане на средни стойности на наклоните. Равното фрезоване ще позволи асфалтополагането да се изпълни също много по-бързо и по-качествено.