Глава II МАШИНЫ ДЛЯ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ РАБОТ И

Глава II
МАШИНЫ ДЛЯ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ РАБОТ
И ЗЕМЛЕРОЙНО-ТРАНСПОРТНЫЕ МАШИНЫ
§ 6. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ
Земляные работы являются самым распространенным видом работ строительного
производства. Они применяются в транспортном, гидротехническом, промышленном и
городском строительствах, а также в сельском хозяйстве. Вместе с тем они принадлежат к
весьма важным видам работ, от качества выполнения которых во многом зависит устойчивость и продолжительность службы устроенных на грунтовых основаниях таких
инженерных сооружений, как автомобильные и железные дороги, плотины, дамбы и т. п.
В СССР ежегодно выполняется около 6 млрд. куб. м земляных работ. Такой огромный
объем работ может быть выполнен лишь при полной их механизации.
Основными видами земляных работ являются возведение насыпей, разработка выемок,
рытье каналов, траншей и котлованов. Эти работы могут выполняться в самых
разнообразных условиях, и грунт, необходимый для возведения земляных сооружений,
может перевозиться на различные расстояния. Так, в условиях транспортного и, в частности,
автодорожного строительства низкие насыпи высотой до 1,5 м могут возводиться из боковых
резервов, а высокие насыпи, которые обычно имеют место на подходах к таким
искусственным сооружениям, как мосты и путепроводы, как правило, сооружаются из
грунта, доставляемого из специальных карьеров.
Для выполнения земляных работ применяются разнообразные машины.
Технологический процесс этих работ примерно одинаков и состоит из следующих основных
элементов: копания, транспортировки грунта к месту укладки или в отвал, разравнивания,
уплотнения и профилирования, т. е. окончательной отделки земляного сооружения. Копание
грунта, т. е. отрыв его от основного массива, может производиться как после
предварительного рыхления специальными машинами—рыхлителями, так и без этого.
В соответствии с элементами технологического процесса используется следующее
оборудование для земляных работ:
1) землеройные машины, к числу которых относятся экскаваторы, бульдозеры,
скреперы, автогрейдеры и грейдеры, грейдер-элеваторы;
2) транспортные машины, к которым относятся автомобили, землевозы и
транспортеры;
3) машины для уплотнения грунта — катки, трамбующие и вибрационные машины.
Разравнивание, а отчасти и профилирование грунта обычно производится бульдозерами,
автогрейдерами и грейдерами, а также специальными профилировщиками.
79
Землеройные машины производят разработку грунта. Вынутый из забоя грунт может
быть погружен в транспортные средства (автомобиль, землевоз и т. п.) или доставлен к месту
его укладки самой землеройной машиной. Те машины, которые производят не только
разработку, но и перемещение грунта, называются землеройно-транспортными. К числу
землеройно-транспортных машин относятся бульдозеры, скреперы, авто- грейдеры, грейдеры
и грейдер-элеваторы.
Транспортные машины обычно работают совместно с экскаваторами, а иногда и с
грейдер-элеваторами.
Машины для уплотнения применяются как при воздействии
насыпных земляных сооружений - насыпей, дамб, плотин и т. п., так и при подготовке
грунтовых оснований для повышения их устойчивости.
Во всех случаях целью работы является достижение той плотности грунта, которая
(применительно к данному виду работ) обусловливается специальными нормами.
По характеру работы машины для земляных работ могут быть разделены на машины
непрерывного и циклического действий. Машины непрерывного действия совершают
рабочий процесс непрерывно. К ним относятся грейдер-элеваторы, автогрейдеры и грейдеры,
а так же роторные многоковшовые экскаваторы. Одноковшовые экскаваторы и скреперы
являются машинами циклического действия.
§ 7. РАБОЧИЕ ОРГАНЫ ЗЕМЛЕРОЙНО-ТРАНСПОРТНЫХ
МАШИН И ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ГРУНТОМ
Рабочие органы землеройно-транспортных машин в с служат для вырезания
грунта и отделения его от основного Они часто выполняют также операции перемещения
грунта либо перед собой, либо в сторону, а в случае транспортирования грунта на большие
расстояния рабочие органы выполняются в виде ковшей.
В зависимости от назначения машин рабочие органы землеройно- транспортных
машин могут выполняться в виде прямого (рис. 43,б) или дискового (рис. 43, в) ножей,
которые отделяют грунт от основного массива и подают его на отвальную поверхность, в
ковш или на транспортер; ковша (рис. 43, г и д), режущая кромка которого может быть
снабжена зубьями, разрушающими грунт, что облегчает врезание в него самой режущей
кромки; зуба или зубьев (рис. 43, а), которые здесь являются самостоятельными рабочими
органами и служат для рыхления грунта.
Прямой нож часто выполняется с отвалом, который служит как
бы его
продолжением. В этом случае вырезанный грунт движется вдоль отвала либо впереди него.
Зубья могут применяться в виде самостоятельного рабочего органа, как это, например, имеет
место у рыхлителя или кирковщика, или же ими могут оснащаться ножи и ковши.
Сопротивление копанию зависит от углов, которые образуют рабочими органами
машин с поверхностью грунта. При этом различай угол резания  , угол заострения  и
задний угол  (рис. 44). От правильного выбора этих углов и особенно угла резания зависит
эффективность работы землеройных машин. Численные значения этих углов выбираются
применительно к каждому виду землеройных машин. Прямые ножи (рис. 44, а)
характеризуются центральным углом  , углом опрокидывания  и углом установки его в
плане  (рис. 44, б), который еще называется углом захвата или углом атаки.
80
Кроме углов, рабочие органы машин характеризуются еще следующими параметрами (рис.
43): прямые ножи —длиной L, шириной В и радиусом кривизны r; дисковые ножи—диаметром D и
радиусом кривизны r; ковши — вместимостью q, шириной В, высотой Н и длиной L; зубья —
шириной и длиной, а также расстояниями между ними.
Рис.43. Рабочие органы землеройных машин: а – зуб, б – отвал с режущим ножом, в
– дисковый нож, г – ковш эскаватора с зубьями и сплошной полукруглой режущей
кромкой, д – ковш скрепера, е – рабочий орган землеройной машины с роторным
рыхлителем
Принято различать процессы чистого резания и процессы копания, В отличие от первых
последние включают в себя не только отделение стружки грунта от основного массива, но и
перемещение грунта вдоль или впереди отвала или в ковше.
Рис.44. Углы прямого ножа-отвала
Работу режущих частей рабочих органов землеройно-транспортных машин можно уподобить
процессу отделения стружки грунта при помощи клина (рис. 45). Под действием горизонтальной
силы
P1
перед клином вначале происходит сжатие пласта грунта, а затем, когда напряжение в
этом пласте превысит предел прочности, под некоторым углом к горизонту  1 происходит скол
грунта. Поверхность скола соответствует плоскости действия наибольших касательных напряжений,
81
и характеризующий ее угол  1 определяется не только углом резания  , но и видом грунта и его
состоянием, т.е. его плотностью и влажностью.
В зависимости от свойств грунта форма вырезанной стружки может быть разной. При
влажных связных грунтах сколов не происходит и стружка от основного массива отделяется в виде
слитного пласта (рис. 46, а). При сухих связных грунтах пласт раскалывается на куски неправильной
формы, ввиду чего дно борозды получается неровным (рис. 46, б). Стружка, подобная изображенной
на рис. 45, образуется при связных грунтах, влажность которых мала или несколько ниже оптимальной. При несвязных грунтах первоначальная их структура разрушается и грунт скапливается
перед клином (рис. 46, в).
Рис.46. Форма стружек грунта
Рис.47. Силы, действующие на
клин
В общем виде на клин действуют (рис. 47) касательная сила P1 , под воздействием которой
происходит его перемещение, суммарная реакция грунта R, сила тяжести пласта грунта Q и силы
трения — от движения пласта грунта по клину F1 и клина по дну борозды F2. Суммарная реакция
грунта R складывается из сопротивления грунта сжатию и отделению стружки от основного массива.
При проектировании машин необходимо правильно выбрать мощность двигателя, что
возможно сделать, если известна горизонтальная сила P1 . При известных величине и направлении
суммарной реакции грунта R решение такой задачи не вызывает затруднений. Однако как величина
этой реакции, так и ее направление зависят от многих факторов: угла резания, угла заострения,
степени затупления режущей кромки, толщины стружки, а также от вида и состояния грунта. Учесть
эти факторы не представляется возможным, тем более, что в процессе отделения стружки как
величина реакции, так и ее направление не остаются стабильными. Вместе с тем по абсолютной
величине эта реакция намного превышает все другие виды сопротивления, и потому ошибка в ее
определении существенно влияет на результат расчета. Эти трудности заставляют при определении
сопротивлений грунта резанию привлекать опытные данные.
Основоположником теории сопротивлений грунтов резанию является акад. В. П.
Горячкин. В результате исследования работы плуга для определения касательной силы им
предложена формула
P1  G  kbh  bhv 2 ,
(II.1)
82
где µ— коэффициент трения плуга о грунт; G — сила тяжести плуга; k — удельное
сопротивление почвы резанию; h — глубина резания (толщина стружки); b — ширина
срезаемого слоя; v — скорость движения плуга;  — коэффициент, учитывающий
энергетические потери, возникающие при движении грунта по отвалу.
При работе плуга первый член формулы составляет около 40%, второй — 55% и
третий — около 5% общего сопротивления.
Ввиду больших различий в устройстве плуга и рабочих органов землеройнотранспортных машин непосредственное применение этой формулы приводит к
значительным ошибкам. Поэтому Н. Г. Домбровским для практических расчетов
рекомендовано пользоваться упрощенным выражжением
P1  k0bh  k0 F ,
(II.2)
где F=bh — площадь вырезаемой стружки; k0 — удельное сопротивление резанию или
копанию.
Под резанием понимается отделение стружки от массива. Связанное с этим процессом
сопротивление называется сопротивлением грунта резанию. Когда говорят о копании грунта,
то рассматривают не только отделение стружки от массива, но и ее движение по рабочему
органу. При этом иногда учитывают также и те сопротивления, которые связаны с
наполнением ковшей. Поэтому сопротивление копанию всегда выше сопротивления
резанию.
При дальнейшем рассмотрении конкретных землеройно-транспортных машин в
зависимости от того, на какие элементы расчленяется рабочий процесс, будут
рассматриваться сопротивления как резанию, так и копанию.
Многочисленные опыты показали, что удельное сопротивление копанию находится в
зависимости от вида и состояния грунта, геометрии режущего органа, величины сечения,
формы и соотношения между размерами стружки. На него оказывают также влияние
скорость резания, наличие и расстановка на режущей кромке зубьев, а также траектория
движения рабочего органа и, в частности, ковшей.
Удельное сопротивление резанию и копанию повышается по мере увеличения
содержания в грунте глинистых частиц и понижения влажности. Определенные опытным
путем значения удельного сопротивления копанию обычно даются применительно к
различным категориям грунта. Многочисленными опытами А. Н. Зелениным установлена
прямая пропорциональность между удельным сопротивлением резанию и числом ударов так
называемого динамического плотномера (ударника ДорНИИ). Поэтому, если для данного
рабочего органа знать удельное сопротивление резанию на каком-то грунте, то, испытав
динамическим плотномером другой грунт, можно найти для последнего численное значение
удельного сопротивления резанию.
Динамический плотномер представляет собой стальной стержень с площадью сечения
в 1 сма. На расстоянии 10 см от того его конца, который устанавливается на поверхности
грунта, имеется бурт, о который ударяют гирей массой 2,5 кг, падающей с высоты 400 мм.
Эта гиря движется по верхней части стержня как по направляющей. Испытание состоит в
определении того числа ударов, которое необходимо для погружения стержня в грунт на
глубину 10 см. За характеристику грунта принимается необходимое для такого погружения
число ударов.
Удельное сопротивление грунта копанию возрастает с увеличением угла резания  .
При этом до   30  35 оно растет медленно, а затем быстро. Однако при чрезмерном
снижении угла резания увеличивается
83
необходимый для подъема грунта на определенную высоту путь, что ведет к росту
непроизводительных потерь. Поэтому оптимальные углы резания зависят от многих
факторов и, в частности, от свойств грунтов и вида рабочего органа. Они находятся в,
довольно широких пределах (25—55°).
Во избежание трения нижней грани клина о поверхность грунта задний угол 
выбирают равным 5—8°. Образующийся при этом угол заострения обычно удовлетворяет
условиям прочности. Д. И. Федоровым было исследовано влияние формы режущей кромки.
Сравнение работы прямых, криволинейных с зубьями и криволинейных без зубьев режущих
кромок выявило преимущества последних. Оказалось, что при некоторых условиях лучшие
результаты дают режущие кромки, которые, как в поперечном сечении, так и в плане,
очерчены по дуге. При этом, по мере приближения к ковшу, целесообразно постепенно
увеличивать радиус дуги, что создает благоприятные условия для движения грунта.
Рис.48. Формы стружек: а – блокированная, б полублокированная, в деблокированная
При таких очертаниях режущей кромки действующее усилие передается на небольшой
участок средней ее части, что обеспечивает высокое удельное давление, т. е. давление на 1 см
длины кромки, и сама форма ножа обеспечивает быстрое врезание его в грунт.
При одном и том же грунте и геометрии режущего органа удельное сопротивление
копанию снижается с ростом сечения стружки даже в том случае, если форма и соотношения
между размерами ее сечения остаются постоянными. Так, по данным Н. Г. Домбровского,
увеличение емкости ковша одноковшового экскаватора с 0,15 до 15 м3 снижает удельное
сопротивление копанию на 25—30%. Опытами, проведенными в ленинградском филиале
ВНИИстройдормаша с грейдер-элеваторами, установлено, что увеличение сечения стружки в
3 раза снижает удельное сопротивление грунта копанию на 30—40%.
На удельное сопротивление грунта копанию оказывает влияние форма стружки.
Различают три формы стружек: блокированную, когда грунт вырезается по трем плоскостям,
полублокированную, когда грунт вырезается по двум плоскостям, и деблокированную, когда
грунт вырезается практически по одной плоскости (рис. 48). А. Н. Зелениным установлено,
что наибольшее удельное сопротивление имеет место в случае блокированной формы, а
наименьшее — при деблокированной форме. Полублокированная стружка занимает
промежуточное положение.
Опытами также установлено, что при одном и том же сечении стружки удельное
сопротивление копанию зависит от отношения ширины стружки к ее толщине (глубине
резания). С увеличением этого отношения удельное сопротивление копанию снижается.
Ранее уже отмечалось, что зависимость предела прочности грунта от скорости
изменения напряженного состояния характеризуется логарифмической кривой (см. рис. 16).
Поэтому влияние скорости на удельное сопротивление грунта копанию особенно
сказывается при малых ее значениях. При тех скоростях изменения напряженного состояния,
которые соответствуют обычно применяемым скоростям резания (0,5—2,0 м/с),
84
влияние скорости сказывается уже значительно слабее. Так, при росте этих скоростей до 6—
10 м/с, т. е. в 3—5 раз, удельное сопротивление резанию в среднем повышается на 30—40%.
Режущие кромки в некоторых случаях, как например, на ковшах экскаваторов,
снабжаются зубьями. Выдвинутые вперед зубья должны разрушать, а следовательно, и
разрыхлять грунт и тем самым облегчать врезание в него режущей кромки ковша. В плотных
связных грунтах острые зубья снижают общее сопротивление копанию сравнительно
незначительно — на 6—15%. Они предохраняют режущую кромку от износа, но вместе с тем
затрудняют поступление грунта в ковш при горизонтальных и слабо наклонных траекториях
его движения. В малосвязных грунтах зубья всегда увеличивают сопротивление копанию.
При широкой расстановке зубьев сильно изнашивается режущая кромка, а узкая расстановка
ввиду увеличения общей ширины зубьев повышает сопротивление копанию. Поэтому Н. Г.
Домбровский рекомендует расстояния между зубьями выбирать равными 1,2—1,3 ширины
зуба. Ширина зуба выбирается с таким расчетом, чтобы нагрузка на 1 см его режущей
кромки нё превосходила 7 кН.
На удельное сопротивление копанию оказывают влияние траектории движения
ковшей, поэтому удельные сопротивления при прямых и обратных лопатах отличаются от
удельного сопротивления при драглайне.
На удельное сопротивление грунта копанию большое влияние оказывает износ режущей
кромки. Сопротивление вдавливанию в грунт какой-либо площадки, в том числе режущей
кромки, пропорционально их площади. Поэтому по мере износа возрастает и сопротивление
копанию. Кроме того, износ, т. е. затупление режущей кромки, приводит к такому резкому
увеличению той составляющей сопротивления копанию, которая перпендикулярна к
направлению его, что приводит к выталкиванию ковша из грунта. Так, наблюдения Ю. А.
Ветрова показали, что износ зубьев может привести к увеличению этой составляющей в 8
раз. Для того чтобы снизить вредное действие износа, при проектировании рабочих органов
нужно стремиться к уменьшению толщин режущих кромок и к повышению их
износоустойчивости. Для этой цели следует рекомендовать режущие кромки рабочих
органов землеройных машин изготовлять из высокопрочных и износоустойчивых материалов
или же применять наплавку их твердыми сплавами. Следует обеспечивать также
самозатачивание их при износе.
Итак, на удельное сопротивление резанию оказывают влияние различные факторы. Поэтому
формулу (II.2) нельзя рассматривать как универсальную, т. е. пригодную для расчетов
горизонтальных составляющих усилий копания во всех случаях только по площади
вырезаемой стружки и подобранному по грунту удельному сопротивлению копанию. Однако
несмотря на это, формула может быть с успехом использована для практических расчетов,
если при определении значения удельного сопротивления копанию для каждого вида машин
привлекать опытные данные. Поэтому в дальнейшем при рассмотрении каждого вида
рабочего оборудования землеройных и землеройно-транспортных машин, на основании
имеющихся опытных данных, в зависимости от вида грунта будут приводиться свои
значения удельного сопротивления копанию. Пользуясь этими значениями, можно тяговые
расчеты производить с достаточной точностью.
Если прямой клин повернуть вокруг вертикальной оси так, чтобы его лезвие составило
острый угол с направлением движения, то получится косой трехгранный клин (рис. 49). Этот
клин можно рассматривать как состоящий из трех простых клиньев. При движении в
направлении оси X
85
клин, расположенный в плоскости ZOX с углом наклона
 ' , поднимает пласт; клин, расположенный
в плоскости YOZ с углом наклона  , поворачивает пласт; клин, расположенный в плоскости XOY с
углом захвата  , подрезает пласт и отодвигает его в сторону.
Теоретическим путем В. П. Горячкиным показано, что для перемещения косого клина
требуются меньшие усилия, чем для клина простого. Этот вывод получил экспериментальное
подтверждение. Оказалось, что
удельное сопротивление копанию зависит от угла
.
захвата
Минимальное
сопротивление
соответствует углу захвата около 20°. Изменяя угол
захвата, можно достигнуть снижения этого сопротивления на 20—25%.
Копание грунта косо установленными отвалами
нашло широкое распространение. Этот принцип
осуществлен при работе автогрейдеров и универсальных бульдозеров.
При копании грунта прямым отвалом (угол
захвата  = 90°) режущая кромка ножа подрезает
пласт грунта, который в виде стружки продвигается
вверх по отвалу. В верхней части отвала стружка
разрушается и грунт, падая вниз, образует так
называемую призму волочения. Величина подъема
стружки определяется как ее прочностью, так и
профилем отвала. При несвязных и малосвязных сухих
грунтах разрушение стружки начинается сразу же
Рис.49. Схема косого клина
после ее отделения от массива. При перемещении
стружки по ножу и отвалу можно выделить три зоны: формирование стружки, движение ее по отвалу
и разрушение.
Рис.50. Профили отвалов
При копании грунта косо установленным отвалом (угол захвата  < 90°) дополнительно
имеет место движение грунта вдоль отвала, т. е. в сторону. Здесь при повышении скорости движения
грунта в сторону призма волочения уменьшается. На рис. 50 изображены профили отвалов: с
постоянным радиусом кривизны (рис. 50, а) и с профилем, образуемым сопряжением части дуги
окружности с прямой (рис. 50, б и в). Опытным путем установлено, что лучшее перемещение грунта
в стороны имеет место при профиле, показанном на рис. 50, а, худшее — при профиле,
изображенном на рис. 50, в. Поэтому там, где перемещение грунта в стороны является одним из
основных элементов рабочего процесса, примером чему служат автогрейдеры, отвалы следует
изготовлять с постоянным радиусом кривизны. Машины, предназначенные в основном для
86
продольного перемещения грунта, например неуниверсальные бульдозеры, снабжаются отвалами с
переменным радиусом кривизны и обычно такими, где дуга окружности сопряжена с прямой.
Для определения мощности двигателя необходимо знать те сопротивления, которые испытает
отвал при выполнении им процесса копания и перемещения грунта. Обычно при расчетах общее
сопротивление принято разделять на элементы. В наиболее общем случае — при косо поставленном
отвале — можно выделить следующие элементы общего сопротивления W: резанию W1 ;
перемещению грунта вверх по отвалу W2 ; перемещению призмы грунта перед отвалом W3 ;
перемещению грунта в сторону W4 .
Рис.51. Силы, действующие на
отвал
Сопротивление грунта резанию определяется по формуле (рис. 51, а)
W1  k0 Lh sin  ,
(II.3)
где k0 — соответствующее данному отвалу удельное сопротивление грунта лобовому резанию; L —
длина отвала или ширина вырезаемой стружки грунта; h — толщина стружки;  — угол захвата.
Сопротивление от перемещения грунта вверх по отвалу, согласно схеме на рис. 51, б,
представляет собой проекцию на горизонтальную ось той силы трения, которая развивается от
движения грунта по отвалу,
W2  Gпр f1 cos 2  sin  ,
(II.4)
Здесь Gпр — сила тяжести грунта в призме волочения; f1 -коэффициент трения грунта о сталь,
который обычно равен 0,5÷0,6;  - угол резания.
Очевидно, что сила тяжести примы волочения определится формуле
Gпр  Vпр 0 g
(II.5)
где Vпр — объем призмы волочения;  0 объемная масса грунта, которая может быть принята равной
1400—1500 кг/м3; g — ускорение силы тяжести.
Объем призмы волочения может быть найден в предположении, что грунт перед отвалом
располагается в виде призмы высотой Н, длиной L с углом 1 , равным углу естественного откоса
(рис. 51, б). Однако такое предположение не является точным, поэтому в формулу следует
87
ввести поправочный коэффициент
k пр . Тогда объем призмы найдется по формуле
Vпр 
LH 2
kпр .
2
(II.6)
Опытами установлено, что в зависимости от вида грунта и отношения H/L коэффициент k пр
может иметь значения, приведенные в табл. 5. Сопротивление от перемещения призмы
волочения грунта перед отвалом
W3  Gпр f 2 sin  .
(II.7)
принят в пределах
Здесь f2 — коэффициент трения грунта о грунт, который может быть
0,8—1,0.
В процессе перемещения призма волочения грунта прижимается к
(рис. 51, в)
отвалу
силой
W3'  Gпр f 2
Таблица 5. Отношение высоты призмы к
её длине
k пр
H
L
Для
Грунтов
связных
несвязных
0,15
1,3
0,9
0,30
1,3
0,8
0,45
1,2
0,7
.
Ввиду действия этой силы при перемещении грунта вдоль поверхности отвала развиваются силы трения, проекция которых на
ось, совпадающую с направлением движения, и
будет представлять собой сопротивление от
перемещения грунта в сторону. Поэтому
W4  Gпр f1 f 2 cos  .
(II.8)
Суммарное сопротивление движению
W  W1  W2  W3  W4 .
(II.9)
Врезание в грунт ковшовых рабочих
органов производится при поступательном
движении последних. Ковш при этом наклонен
таким, что его днище с поверхностью грунта
образует некоторый угол (рис. 52). В
результате при
угле
копания  вырезается
стружка
грунта толщиной h и
шириной, равной длине
установленных на ковше
ножей. Ковши скреперов
обычно
снабжаются
передними заслонками,
которые при копании
несколько
приподнимаются,
и
поэтому
вырезанная
стружка
грунта
поступает
в
зазор,
Рис.52. Схема врезания в грунт ковша
образуемый нижней кромкой заслонки и ножом ковша (рис. 52). Движение стружки грунта
по днищу ковша производится за счет передаваемого ковшу тягового усилия.
88
Правильное скольжение стружки по днищу происходит до тех пор, пока это усилие не превзойдет
предела прочности стружки на продольное сжатие. После этого стружка разрушается и перед
ковшом образуется призма волочения. В дальнейшем ход наполнения ковша изменяется.
Прочность стружки зависит от рода и состояния грунта, поэтому от этих же факторов будет
зависеть и та длина пройденного стружкой пути, при котором еще не происходит ее разрушения.
При связных грунтах, влажность которых равна пределу прочности или менее его, разрушение
стружки, как правило, происходит уже после достижения ею задней стенки ковша. При несвязных
грунтах (особенно сухих) стружка разрушается гораздо раньше. Разное поведение грунтов в самом
начале заполнения ковша определяет и те различия процесса, которые имеют место в дальнейшем.
Поэтому характер процесса наполнения ковша и, в частности, та форма, которую стремится грунт
занять в ковше, зависят от вида грунта. Несмотря на различия, заполнение ковша разными грунтами
характеризуется некоторыми общими чертами. Проходя в зазор, образуемый ножом и заслонкой,
грунт выклинивается вверх. Такое выклинивание происходит по образующимся в массе грунта
поверхностям скольжения, которые расположены с некоторым наклоном к вертикали. На
поверхности грунта происходит фонтанирование, в результате чего образуются гребни, которые
смещаются назад.
Степень наполнения ковша, а также те усилия, которые для этого требуются, зависят от
физико-механических свойств грунта, а также от формы ковша. Так как невозможно применительно
к каждому виду грунта иметь свой ковш, то при проектировании следует ориентироваться на их
работу в каких-то средних грунтовых условиях. Исследования показали, что на возникающие при
наполнении ковша сопротивления наиболее существенное влияние оказывает высота наполнения Н.
Для снижения сопротивлений эта высота должна быть увязана с толщиной стружки. Эти
сопротивления зависят также от длины ковша L, его ширины В, ширины резания b, высоты задней
стенки и от объема передней заслонки.
Сила тяги, необходимая для передвижения ковша в процессе наполнения, расходуется на
преодоление следующих сопротивлений: резанию W p ; наполнению WH и перемещению призмы
волочения WП .
Сопротивление резанию
W p  k0bh ,
(II.10)
где k0 — удельное сопротивление резанию; h - толщина стружки; b —
ширина резания.
Сопротивления наполнению Е. Р. Петере предложил определять, расчленив на сопротивление
силы тяжести грунта W'H и сопротивление трению грунта в ковше
тяжести поднимаемого столба грунта можно определить по формуле
WH'  bhH 0 g ,
WH" .
Сопротивление силы
(II.11)
где  0 - объёмная масса грунта, H - высота наполнения; g — ускорение силы тяжести.
Сопротивление трению возникает при выклинивании столба грунта вверх. Оно может быть
определено по формуле
WH"  2 Pf 2  bH 2 0 g .
(II.12)
Здесь 2Р — давление боковых призм, располагающихся по обе стороны выклинивающегося столба
грунта f — коэффициент трения грунта о грунт;

tg1
1

sin 21
1  tg 21 2
(II.13)
89
( 1 — угол внутреннего трения грунта, значения которого можно брать из табл. 6).
Сопротивление перемещению призмы волочения определяется по формуле
WП  y1bH 2 0 gf 2
(II.14)
где y1 = 0,5 ÷0,7 — коэффициент объема призмы волочения, который зависит от конструкции
ковша, высоты подъема передней заслонки и вида грунта.
Опытная проверка показала, что расчетные сопротивления наполнению получаются
несколько ниже опытных, а расчетные сопротивления
призмы волочения выше опытных.
Таблица 6. Значение 
Многочисленные
испытания
и угла внутреннего поворота 1
существующих моделей скреперов позволили
Параметр
Вид грунта
получить достаточно надежные опытные
данные,
используя
которые
можно
Глины
Суглинки Супеси
рассчитывать
сопротивление
наполнению
по
и пески
следующей простой формуле:
0,350,45—
Значение  0,25—
..…………...
WH   V
(II.15)
0,30
0,45
0,50
где  — удельное сопротивление при
Угол
наполнении, которое зависит от емкости
внутренковша; V — емкость ковша.
него трения
Опытным путем значения  получены
1
для скреперов с различной емкостью ковшей.
град........... 15—20
25—30
35—45
Используя эти значения, возможно вести
тяговые
расчеты, с достаточной для
практических целей точностью.
Сопротивление перемещению призмы волочения может быть также определено по
формуле
WП  uV 0 gf 2 .
(11.16)
Здесь и — коэффициент, определяющий объем призмы волочения в долях от общей емкости
ковша.
Копание грунтов является весьма энергоемкой операцией, которая требует затраты
Рис.53. Схема рабочих органов землеройно-фрезерной машины
больших усилий. Поэтому ведется интенсивная исследовательская работа, направленная на
снижение этих усилий.
На рис. 53 дана схема рабочего органа землеройно-фрезерной машины; здесь расположенная
впереди фреза 1 разрыхляет грунт и подает его на подгребающий нож 2, с которого он
поступает на транспортер 3 и далее на выдающий транспортер 4, который расположен перпендикулярно к продольной оси машины. Предварительное разрыхление грунта фрезой
существенно снижает общее сопротивление, что создает значительную экономию энергии и
повышает производительность машины.
90
Для снижения сопротивления грунта копанию в опытном порядке применяется
вибрация. Этот метод снижения сопротивлений чаще всего применяется на ковшах,
снабженных зубьями. При помощи специального механизма зубья приводятся в состояние
колебательных движений с частотой 1500—2000 в минуту. Вибрация зубьев передается
грунту. Ввиду тиксотропных превращений грунтов сопротивление перемещению зубьев
снижается и тем больше, чем более интенсивно проходят эти превращения. Проведенные
исследования показывают, что эффективность вибрации больше всего проявляется в случае
связных грунтов влажностью выше предела пластичности. Здесь вибрация может, снизить
сопротивление копанию на 20—30%. При влажности грунта, близкой к пределу пластичности, оно снижается на 10—15%. При более сухих грунтах вибрация становится
неэффективной. Установлено, что эффективность выше при колебаниях, осуществляемых в
направлениях, перпендикулярных движению зубьев, чем при колебаниях, производимых в
направлении их движения.
Можно вибрированием снизить сопротивления, связанные с наполнением ковшей
грунтом. Однако оно может быть значительным лишь при скоростях движения ковша, не
превышающих 1,5—2,0 м/мин. С повышением скорости эффективность вибрирования
падает.
Ведется также исследовательская работа, направленная на разработку грунтов методом
обрушения. В этом случае пласт грунта подкапывается снизу, в результате чего он
разрушается и под действием силы тяжести попадает на транспортер или какой-либо иной
перемещающий его рабочий орган. В результате достигается значительная экономия в
затрачиваемой работе и создается непрерывность в разработке грунта, что ведет к
значительному повышению производительности.
В настоящее время разрабатываются взрывомеханические рабочие органы
землеройно-транспортных машин. Эти рабочие органы представляют собой отвалы, нижние
части которых снабжены специальными устройствами. Устройства подают заряды в грунт в
тех случаях, когда используются бризантные взрывчатые вещества, или они представляют
собой камеры сгорания при использовании метательных взрывчатых веществ. Взрыв зарядов
позволяет получать направленный выброс грунта, в результате чего перед отвалом
образуется выемка. При менее интенсивных взрывах происходит рыхление грунта перед
отвалом. В обоих случаях снижаются усилия, необходимые для разработки грунта, что
позволяет производить копание прочных и, в частности, мерзлых грунтов. Меняя углы
установки отвала, можно получать выбросы грунта в стороны. Производительность такого
оборудования определяется частотой подачи и массой зарядов. В связи с большими
нагрузками на машину, которые возникают в момент взрыва, масса зарядов ограничена и к
прочности рабочего оборудования предъявляются повышенные требования. В этом
отношении преимущества на стороне метательных взрывчатых веществ.
§8. БАЗОВЫЕ ТЯГАЧИ
В целях достижения наибольшей унификации строительных и дорожных машин
разработаны ряды колесных и гусеничных тягачей, на базе которых и производится
проектирование новых землеройно-транспортных и других машин. Наличие таких рядов
позволяет создавать навесное и самоходное оборудование путем его агрегирования с соответствующими базовыми тягачами. При этом достигается максимальная унификация
основных узлов машин. Разработанный ВНИИстройдормашем типаж машин рассчитан на
использование базовых тягачей.
91
К числу базовых тягачей относятся гусеничные тракторы, колесные одноосные и
двухосные тягачи и унифицированные шасси специального исполнения. Гусеничные
тракторы предназначены для работы с прицепным и навесным оборудованием. В отличие от
обычных, базовые гусеничные тракторы отличаются измененной компоновкой их узлов. При
этом в задней части трактора устраивается площадка для монтажа поворотного сцепного
устройства полуприцепного оборудования, а расположение кабины обеспечивает удобство
управления и широкий обзор.
Критерием для разделения тягачей и тракторов на классы служит номинальное тяговое
усилие, которое определяется в диапазоне скоростей 6—9 км/ч для колесных тягачей и 5—8
км/ч для гусеничных тракторов. Имевшая место непрерывная тенденция к повышению
мощности
землеройно-транспортных машин влечет за собой,
как это видно из графика (рис. 54), и
соответствующее увеличение мощности базовых
тягачей. На графике отображено возрастание по
годам масс наиболее мощных моделей гусеничных
тракторов и мощностей их двигателей. Эти
тракторы в мировой практике строительного
производства используются для совместной работы
с землеройно-транспортными машинами.
Важным параметром гусеничных тракторов
при
работе
с
прицепным
и
навесным
оборудованием является их общая масса, которая
определяет силу тяжести, а следовательно, и то
Рис.54. Рост массы М и мощности
максимальное тяговое усилие, которое может быть
двигателей гусеничных тракторов
реализовано по условиям сцепления. Таким
по годам
образом, три основных параметра гусеничных тракторов — тяговое усилие, мощность двигателя и масса — взаимосвязаны. Из этих параметров
главным является номинальное тяговое усилие. Предусмотренные типажом значения этих
параметров выпускаемых базовых гусеничных тракторов даны в табл. 7.
Таблица 7. Основные параметры гусеничных тракторов
Номинальное тяговое 30
40
60
90
150
250
усилие, кН
Мощность двигателя, 55
75
90—130 135—175 205—240 370
кВт . . .
Масса тягача
5,6 6,4 11,5
15,0
25,0
40,0
(максимальная), т
Колесные тягачи разделяются на одноосные и двухосные. В обоих случаях в качестве
ходового устройства применяются колеса на пневматических шинах. Одноосные тягачи
предназначены для машин седельного типа, которые могут быть отнесены к полуприцепным,
так как на тягач передается часть силы тяжести этих машин. К числу последних относятся
скреперы, катки, землевозы, грейдер-элеваторы и т. д. Главным параметром одноосного
тягача является мощность двигателя. Типажом предусмотрено шесть типов одноосных
тягачей с номинальной мощностью 75; 120; 185; 295; 465 и 740 кВт. Первые четыре типа
тягачей имеют сходную компоновку, а также трансмиссию, сконструированную на базе
гидротрансформаторов и коробок передач с индивидуальными фрикционами. Последние два
типа предположено изготовить с электрическим приводом.
92
Двухосные тягачи предназначены для навесного оборудования — бульдозеров,
рыхлителей, снегоочистителей и т. п. Их применяют и для машин седельного типа. В этом
случае они работают так же, как и одноосные тягачи. Однако по сравнению с одноосными
они имеют больший радиус поворота, что часто затрудняет их использование. Вместе с тем
созданные на их базе агрегаты допускают несколько большие скорости движения, чем
агрегаты, скомпонованные на базе одноосных тягачей.
Типажом предусмотрен выпуск девяти типов двухосных тягачей с номинальной силой
тяги 7,5; 11,5; 15,5; 22,5; 40; 60; 90; 150 и 250 кН. Мощности двигателей этих тягачей
находятся в пределах 12—460 кВт. Одноосные и двухосные тягачи имеют общие
унифицированные узлы.
По сравнению с гусеничными колесные тягачи более маневренны и позволяют иметь
скорость движения в 3—5 раз больше. Это повышает их производительность и на 20—50%
снижает стоимость единицы работы. Поэтому развитию колесных тягачей в настоящее время
уделяется большое внимание.
Агрегатные шасси служат базой для машин, создание которых невозможно на основе
одноосных и двухосных тягачей. К таким машинам относятся, например, автогрейдеры и
планировщики. Агрегатные шасси устраиваются с отдельным ходовым двигателем, как,
например, в случае автогрейдеров или же с отбором мощности от двигателя, предназначенного для работы основных механизмов машины, что имеет место в случае экскаваторов и
кранов. Типажом предусмотрен выпуск пяти типов агрегатных шасси с отдельным ходовым
двигателем, имеющим мощности 45; 74; 120; 185;195 кВт, которые предназначены для автогрейдеров.
Выбор базовых тягачей или агрегатного шасси применительно к каждому конкретному
случаю производится на основе соответствующих расчетов. К числу последних относятся
тяговый расчет и проверка на устойчивость. Размеры и параметры рабочего оборудования
согласуются с возможностями базовых машин.
§ 9. МАШИНЫ ДЛЯ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ РАБОТ
Строительные площадки или полосы должны быть подготовлены для
развертывания на них строительных работ. Поэтому вначале проводятся так называемые
подготовительные работы: корчуются пни, производится очистка площадки или полосы от
кустарника, удаляются валуны и т. п. Если в дальнейшем намечается разработка грунтов
землеройно-транспортными машинами, то часто производится их предварительное
рыхление. Подготовительные работы осуществляются машинами, которые в зависимости от
назначения разделяются на рыхлители, корчеватели, корчеватели-собиратели и кусторезы.
Рыхлители предназначены для рыхления грунтов на больших площадях или полосах.
Они применяются также для удаления из грунта крупных камней, взламывания старых
дорожных одежд, мерзлого грунта
и т. п.
В настоящее время рыхлители изготовляются только навесными, а выпускавшиеся
ранее прицепные рыхлители сняты с производства.. Причиной этого служит большая
маневренность навесных рыхлителей и использование для загрубления зубьев силы тяжести
трактора.
Рабочее оборудование рыхлителя, которое состоит из зубьев и подвесной рамы,
навешивается к корпусу заднего моста трактора и к его раме в трех или четырех точках. У
современных рыхлителей система
93
постоянство угла рыхления (резания) независимо от его глубины. Зубья, как правило, к раме
крепятся жестко.
В зависимости от назначения рыхлителя и вида выполняемых работ число зубьев
может быть различным и обычно находится в пределах от одного до пяти. На тяжелых
работах, например при рыхлении мерзлых грунтов, применяются однозубые рыхлители.
Поэтому зубья должны быть съемными для регулирования их числа. Рыхление однородных
грунтов может производиться пятизубыми рыхлителями. Сами зубья выполняются прямыми
или изогнутыми и обычно снабжаются съемными наконечниками.
Механизмы заглубления устраиваются гидравлическими, что обеспечивает передачу
на зубья силы тяжести трактора.
Схема
навесного
рыхлителя
приведена на рис. 55. Оборудование рыхлителя предусматривается
применительно к гусеничным
тракторам всех классов, что
удовлетворяет потребности самых
разнообразных работ. Глубина
рыхления находится в пределах
0,4—1,0 м. Известны рыхлители с
глубиной рыхления до 1,5 м.
Для лучшего использования как
рыхлителя, так и самого трактора
к передней части последнего
обычно навешивается оборудование бульдозера. Одновременно
Рис.55 Схема тракторного навесного рыхлителя
это способствует более равномерному распределению давления
под гусеницами трактора.
Весьма невыгодной оказывается работа рыхлителя, когда тяговое усилие, достигает
того максимального значения, которое определяется условиями сцепления его ходового
устройства с поверхностью грунта. В этом случае наблюдается резкое снижение скорости и
мощности на крюке трактора. Тракторы рыхлителей, предназначенных для работы на
мерзлых грунтах, должны иметь гусеницы, оснащенные шпорами, что увеличивает
коэффициент сцепления в 1,5 раза и снижает коэффициент буксования в 2 раза.
Рыхление твердых и особенно мерзлых грунтов связано с необходимостью затраты
большой механической работы. Последняя в значительной мере зависит от геометрии стоекзубьев и их установки. Соответствующими исследованиями и практикой использования
рыхлителей выработаны рекомендации, направленные к снижению возникающих при работе
сопротивлений, которые частично для рыхлителей общего назначения обусловлены ГОСТ
7425—71.
Для снижения сопротивления при работе толщины стоек-зубьев должны быть
минимальными — выбранными по условиям прочности. Обычно толщина равна 60—100 мм.
Стойки имеют прямоугольное поперечное сечение. Наконечники зубьев отливаются из
марганцовистой стали и имеют угол заострения в пределах 20—30°. Наконечники должны
быть длинными и узкими, ширина наконечника не должна быть более 50 мм у рыхлителей
для класса тракторов 30 кН и не должна превышать 125 мм у рыхлителей, рассчитанных на
класс тракторов 350 кН.
Конструкция крепления стоек позволяет изменять их вылет, что необходимо для
получения разной глубины рыхления.
94
Задний угол должен быть не менее 5—7°, а угол резания (рыхления) в начале заглубления
составляет 60—80°, а затем снижается до 40—45°.
Снижение потребляемой мощности можно получить регулированием угла рыхления
применительно к конкретным грунтовым условиям. Это облегчает также и процесс внедрения зубьев
в грунт. Такое регулирование осуществляется гидроцилиндрами и применено на некоторых
последних моделях рыхлителей.
Для беспрепятственного рыхления грунта зубья должны быть удалены от гусениц трактора-
тягача на расстояние, равное (1,5—2,0) H max
( H max — максимальная глубина
рыхления).
Главным параметром рыхлителей является номинальное тяговое усилие того базового
трактора, применительно к которому производится проектирование рыхлителя. При
проектировании известным является тяговое усилие трактора, а глубина и ширина рыхления,
которыми определяются размеры и число зубьев-стоек, определяются по этому тяговому
усилию расчетом. Для возможности такого расчета необходимо правильно учитывать те
сопротивления, которые возникают при работе рыхлителя.
Действующая на зуб реакция грунта может быть разложена на горизонтальную
P01 и
вертикальную P02 составляющие. Если G — общая сила тяжести машины, а R— реакция
грунта, то, согласно схеме (рис. 55),
P h  P02l1
l2  01
.
(II.17)
R
Очевидно, что устойчивая работа рыхлителя определяется условием
l2  l3
(II.18)
в противном случае произойдет выглубление зубьев и подъем всей системы относительно
передней кромки гусеницы.
Максимальное значение горизонтальной составляющей P01 равно максимальному
тяговому усилию трактора. Вертикальная составляющая для начала заглубления
P02  0,2 P01 Опорная реакция грунта равна силе тяжести трактора со всем оборудованием.
Необходимая для работы рыхлителя сила тяги определяется по сопротивлению грунта
рыхлению. Последнее находится по формуле
W1  Bhk 0
(II.19)
где В — ширина рыхления; h — глубина рыхления; k0 — удельное сопротивление рыхлению,
которое в зависимости от вида грунта может быть принято в пределах 100—200 кН/м2.
Сила тяги на крюке трактора не должна быть менее величины, обусловленной
формулой (11.19). Поэтому, имея в виду, что W1  T , где Т— сила тяги трактора на первой
передаче, и задаваясь из конструктивных соображений величиной В, можно найти те
предельные значения глубин рыхления, при которых может работать рыхлитель.
Рыхлители относятся к числу наиболее распространенных машин, поэтому разные
типы их выпускаются многими фирмами в разных странах. Это обстоятельство позволило
получить среднестатистическую зависимость тягового усилия от глубины рыхления (рис.
56), которая и может быть использована для ориентировочных расчетов. При этом следует
учесть, что до h1  50 см рыхлители, как правило, трехстойковые, а при h > 50 см —
одностойковые.
95
Рыхление грунта производится последовательными проходами рыхлителя в
продольном или поперечном направлении. При особенно тяжелых грунтах рыхление
производится в обоих направлениях. Число проходов по одному, месту при движении в
одном направлении не должно быть более двух, так как при большем числе проходов из-за
уплотнения грунта под зубьями снижается глубина рыхления. При работе на очень тяжелых
грунтах некоторые конструкции рыхлителей допускают применение трактора-толкача, что
повышает общее тяговое усилие в 1,5—1,8 раза. Следует отметить, что в настоящее время
навесными рыхлителями снабжаются гусеничные
тракторы и двухосные тягачи всех классов, однако
на тяжелых работах, например при рыхлении
мерзлых грунтов, рентабельны лишь
машины, мощность двигателей которых превышает
350 кВт.
Производительность
(м3/ч)
рыхлителя
определяется по формуле
.
П
BhLk B
L
(  t П )n
v
(II.20)
где В — ширина полосы рыхления с учетом
необходимого перекрытия соседней полосы, м;
величина перекрытия предыдущей полосы обычно
составляет 5—10 см; h — глубина рыхления, м; L—
длина захватки (участка), на которой работает
Рис.56. Соотношение между
рыхлитель; v — рабочая скорость рыхлителя, м/ч;
тяговыми усилиями и глубиной
t П — время, затрачиваемое на поворот, ч; п —
рыхления:
число проходов по одному месту;
kB —
1-талый грунт; 2 – мёрзлый грунт
коэффициент использования времени.
Производительность рыхлителя часто удобно определять в м2/ч:
П
vB(1  n1t П )
kB
n1
(II.21)
где n1 — число поворотов в час.
Для выбора параметров гидравлической системы необходимо найти максимальные
усилия, которые развиваются при подъеме и заглублении зубьев рыхлителя.
Расчетные схемы представлены на рис. 57. Очевидно, что максимальные усилия будут
соответствовать моменту начала подъема трактора относительно крайних точек опоры
гусеничного хода. Из уравнения моментов относительно этих точек можно найти, что
максимальные усилия подъема и заглубления равны:
RB max 
Gl2
Gl4
'
и RB max 
l1
l3
(II.22)
Расчет на прочность отдельных узлов рыхлителя, в том числе и гидроцилиндров,
производится с учетом возможного действия динамических нагрузок. Последние возникают при
внезапных наездах на препятствия. Особенно большие нагрузки имеют место, когда эти препятствия
непреодолимы. Здесь они часто носят ударный характер. Согласно исследованиям, проведенным в
МИСИ, возникающие при рыхлении твердых проведённым в МИСИ нагрузки могут в 3 раза
превышать те значения, которые определяются по условию сцепления ходового устройства
рыхлителя с грунтом, а при наезде на практически непреодолимые препятствия они больше
96
последних в 3,5 раза. Ввиду большой жесткости рабочего оборудования изменений нагрузки
от детали к детали не происходит, поэтому при расчете всех деталей следует принимать
одинаковый коэффициент динамичности k Д  3,0  3,5 . Эти значения относятся к скорости
движения 1,0—1,2 м/с. Для снижения динамических нагрузок рыхление следует производить
на скоростях, не превышающих 0,5—0,6 м/с. Защиту деталей и базового трактора от опасных
перегрузок можно осуществить встраиванием амортизаторов с демпферами в
Рис.57. Схемы для определения максимальных усилий, развивающихся при
подъёме (а) и заглублении(б) стоек рыхлителя
конструктивные узлы рыхлителя.
Корчеватели предназначены для корчевки пней диаметром до 50 см, расчистки
участков от корней и крупных камней, удаления сваленных деревьев и кустарника, Они
могут быть применены также для рыхления плотных грунтов.
Рис.58. Конструктивная схема корчевателя:
1 – универсальная толкающая рама, 2 – отвал, 3 – зубья, 4 –
гидроцилиндр управления
Корчеватель является сменным навесным оборудованием к гусеничному трактору,
которое сходно с бульдозером. В отличие от последнего здесь отвал снабжен внизу зубьями.
Подобно бульдозеру, отвал установки на раме, которая шарнирно закреплена на гусеничных
тележках трактора (рис. 58).
В настоящее время применительно к разным тракторам разработаны инструкции
универсальных рам, на которые может монтироваться оборудование корчевателя,
корчевателя-собирателя, бульдозера и кустореза.
97
Подъем и опускание отвала, как правило, производятся силовыми гидроцилиндрами,
что обеспечивает его принудительное заглубление в грунт.
Корчевка пней производится за счет толкающего усилия базового трактора при наезде
на пень средними зубьями отвала.
Аналогичное оборудование имеет и корчеватель-собиратель, который производит
очистку площади или полосы от выкорчеванного ранее кустарника, пней, камней и т. п.
Корчеватель-собиратель может также производить корчевку кустарника и пней диаметром до
30 см. В отличие от корчевателя отвал этой машины снабжен более мелкими зубьями и часто
сходен с граблями. У некоторых моделей отвал при помощи гидроцилиндров управления
может поворачиваться в вертикальной плоскости, для чего его крепление к толкающей раме
делается шарнирным. Такой поворот облегчает разгрузку отвала и при корчевке пней
позволяет прикладывать к ним не только горизонтальные, но и вертикальные усилия.
Если к пню приложить горизонтальное усилие, то сопротивление корчеванию будет
зависеть от его диаметра:
Диаметр пня,
см
Усилие, кН
10
18—20
20
30
50—55 75—95
40
50
105—160
180—210
Общее сопротивление перемещению корчевателя в рабочем положении может быть
найдено по формуле
W  W1  W2  W3 ,
(II.23)
где W — сопротивление грунта рыхлению; W2 — сопротивление, связанное с корчеванием
пней; W3 — сопротивление движению трактора с рабочим оборудованием корчевателя.
Сопротивление грунта рыхлению определяется по формуле
W1  k 0 BH ,
(II.24)
где В — ширина отвала; H — глубина рыхления (погружения зубьев); k0 — удельное
сопротивление грунта рыхлению, которое может быть принято равным (20—25) кН/м2 для
дернового покрова и грунта без корней и (50—100) кН/м2 для грунтов со значительным
содержанием корней.
Следует отметить, что расположенный между зубьями грунт разрыхляется не
полностью, что несколько снижает сопротивление. Поэтому учтен коэффициент неполноты
рыхления k H .P = 0,5÷0,7.
Сопротивление, связанное с корчеванием и волочением пней, кустарника, может быть
определено по формуле
W2  GK f k k k ,
f k = 0,6 ÷0,7 —
где GK — сила тяжести перемещаемого перед отвалом кустарника;
коэффициент сопротивления перемещению кустарника; k k = 1,3 ÷1,5 — коэффициент,
учитывающий одновременную корчевку кустарника.
Сопротивление перемещению определится по формуле
W3  (GТP  Gоб )( f  i) ,
(II.25)
где GТP и Gоб — сила тяжести трактора и навесного оборудования корчевателя; f —
коэффициент сопротивления передвижению, который может быть принят равным 0,1—0,15; i
— уклон.
98
Работа корчевателя возможна лишь при соблюдении следующих неравенств:
T1 k Д  W и T1  GТP  сц
(II.26)
где T — толкающее тяговое усилие трактора на первой передаче; k Д — коэффициент динамичности;
 сц — коэффициент сцепления гусениц трактора с грунтом, который зависит от рода грунта и
конструкции гусениц.
При несоблюдении второго неравенства будет иметь место буксование трактора.
Испытания корчевателей показали, что благодаря инерции машины в целом и действию
маховых масс при внезапных наездах на корчуемые пни максимальные усилия в толкающих брусьях
почти вдвое превышают силу тяжести трактора с оборудованием, а максимальный крутящий момент
на валах ведущих звездочек гусениц превышает номинальный в 1,1 — 1,9 раза. Продолжительность
Рис.59.Кусторез:
1- фары, 2 – ограждение трактора, 3 –универсальная толкающая рама, 4 – съёмная
головка, 5 – рабочий орган
действия повышенных усилий и моментов составляет 0,6—1,4 с.
Рама и отвал корчевателя рассчитываются на усилие T1k Д На это же усилие рассчитываются и
зубья корчевателя. При этом предполагается, что эта сила приложена к концу одного зуба. Зуб
отвала должен быть проверен также на прочность при работе по удалению валуна. В этом случае
кроме силы T1k Д на зуб действует также вертикальное усилие подъема PП , которое может быть
определено по массе валуна. Опасным будет сечение зуба в месте его заделки. Общий изгибающий
момент определяется как сумма изгибающих моментов от сил T1k Д и PП .
Кусторезы служат для срезки кустарника, деревьев лиственных пород диаметром до 20—25
см и деревьев хвойных пород диаметром до 30—35 см. Кусторезы имеют рабочий орган,
выполненный в виде отвала, который в нижней части снабжается режущим ножом, а впереди —
колуном (рис. 59). Этот отвал монтируется на универсальной раме и является навесным
оборудованием к трактору. В настоящее время кусторезы, как свило, имеют гидравлическое
управление. Ножи рабочего органа выполняются пилообразными. Срезка деревьев и кустарника
производится при поступательных перемещениях машины. Благодаря тому, что отвал в плане
выполнен в виде треугольника, его ножи при перемещении постепенно погружаются в ствол дерева
и, наконец, перерезают его.
Со стороны кустореза на перерезаемое дерево действует сила тяги трактора Т (рис. 60),
которая может быть разложена на перпендикулярно к поверхности ножа силу P  T sin  и
действующую вдоль ножа
99
силу F =Tcosα. Сила Р скалывает дерево, а сила F его перерезает. Между деревом, и ножом
развивается также сила трения PT  P  T sin  , где  — коэффициент трения ножа о
древесину, который может быть принят
равным 0,25. Очевидно, что должно иметь
место неравенство F  PT или
Тcosα>Т  sinα, откуда ctgа >  . В
противном случае нож «завязнет» в
древесине. Обычно   30°.
Со стороны дерева на кусторез
действует сила T1  T . Под действием сил T1
и P1 кусторез стремится повернуться
относительно центра тяжести.
Момент сил здесь найдется по формуле
M пов  T1l1  PT l 2  T (l1  l 2  sin  )
Противодействуют
повороту
силы
Рис.60. Схема сил, действующих на кусторез
сцепления, развивающиеся
между
гусеницами [ трактора и грунтом. Момент этих сил определится так:
1
G сц
2
(II.27)
M уд  M пов .
(II.28)
M уд 
где G — сцепной вес, т, е. передающаяся на гусеницы часть силы тяжести машины;  сц —
коэффициент сцепления гусениц трактора с грунтом,
Для работы кустореза должно иметь место неравенство
Производительность (м2/ч) кустореза определяется по формуле
П
Bv (k B 
n1t П
)
60
2
(II.29)
где В — ширина захвата, м; v — рабочая скорость движения, и/ч; kB — коэффициент
использования рабочего времени; n1 — число поворотов на длине участка работы; t П —
время одного поворота, мин; n=1÷3 — число проходов по одному месту.
§ 10. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ
ЗЕМЛЕРОЙНО-ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН
Землеройно-транспортные машины предназначены для выполнения земляных
работ. Ими возводятся насыпи, устраиваются выемки, профилируется земляное полотно и т.
п. Они применяются в различных областях строительного производства при
гидротехническом, транспортном и гражданском строительствах.
Рабочий процесс землеройно-транспортных машин состоит из следующих элементов:
копания грунта, его транспортирования и выгрузки.. Характерной отличительной
особенностью этих машин (в отличие от землеройных) является то, что все элементы
рабочего процесса выполняются при их передвижении. К землеройно-транспортным
машинам относятся бульдозеры, скреперы, автогрейдеры, грейдер-элеваторы и землеройнофрезерные машины.
100
Землеройно-транспортные машины устраиваются самоходными или прицепными. В
случае самоходного варианта базовый тягач является составной частью машины либо
машина снабжается ходовым и силовым оборудованием оригинальной конструкции.
В зависимости от вида рабочего оборудования землеройно-транспортные машины
разделяются на ковшовые (скреперы), ножевые (бульдозеры, автогрейдеры и грейдерэлеваторы) и фрезерные (землеройно-фрезерные машины). Ножевые машины
транспортируют грунт перед собой либо удаляют его в стороны. В последнем случае может
осуществляться подача грунта на транспортер (грейдер-элеваторы).
Землеройно-транспортные машины могут иметь ручное и механизированное
управления. Механизированное управление, в свою очередь, разделяется на механическое и
гидравлическое.
Землеройно-транспортные машины работают в весьма разнообразных и часто тяжелых
условиях. Последние особенно часто возникают при транспортном строительстве. Тяжелые
условия работы обусловливаются часто чередующимися крутыми подъемами и спусками,
движением по рыхлым, а иногда и переувлажненным грунтам, а также работой на сухих
сильно пылящих грунтах. При этом необходимо также учесть, что работы часто ведутся на
участках, расположенных на больших расстояниях от промышленных центров и хорошо
оснащенных мастерских. Все это заставляет к конструкции машин предъявлять
определенные требования.
Землеройно-транспортные машины должны быть прежде всего возможно более
просты в обслуживании и надежны в работе. Они должны обладать высокой проходимостью
по рыхлым грунтам, пескам и т. п. Вместе с тем для полной реализации мощности двигателя
коэффициент сцепления ходового устройства с грунтом должен быть достаточно высоким.
Этим требованиям удовлетворяют шины низкого давления больших размеров с рисунком
протектора типа прямая или косая елка. Эти требования должны быть также учтены и при
проектировании гусеничного хода.
Машины должны быть достаточно устойчивыми как в продольном, так и в поперечном
направлениях, т. е. при движении по косогорам, угол которых с горизонтом достигает 40—
45°.
Все механизмы машин должны быть надежно защищены от пыли. Необходимо также
принимать меры конструктивного порядка для очистки рабочих органов этих машин от
налипания грунта. Устраивать эти машины нужно так, чтобы после выполнения ими
рабочего цикла все дополнительные операции, как например разравнивание грунта и т. п.,
были сведены к минимуму. Необходимо, чтобы эти машины отвечали требованиям
транспортабельности, т. е. чтобы их переброска с одного объекта на другой не была
трудоемкой.
Земляные работы часто могут выполняться землеройными или землеройнотранспортными машинами различных типов. Для выбора лучшего типа машины в каждом
конкретном случае необходимо сопоставить эффективность работы разных машин. Такое
сопоставление необходимо также и при проектировании машин, так как пуск в серийное
производство каждого нового образца может быть оправдан только в том случае, если
эффективность его работы окажется выше существующих машин и если связанные с его
разработкой и производством затраты будут окуплены в определенный срок.
Сопоставление эффективности работы землеройно-транспортных машин различных
типов может быть произведено по техническим и экономическим показателям их работы.
Одним из основных показателей является их
производительность. Под производительностью понимается тот объем грунта в кубических
метрах, который вынимается машиной в единицу
101
времени — обычно за 1 ч. Главным экономическим показателем работы машины является
стоимость единицы работы, т. е. стоимость вынутого и уложенного в земляное сооружение
кубометра грунта. Естественно, что на эти показатели в сильной степени влияют условия
работы, т. е. вид и состояние грунта, дальность его транспортирования, состояние пути и т. п.
Поэтому сравнение этих показателей следует производить при работе машин в одинаковых
условиях.
При проектировании землеройно-транспортных машин, а также машин для
уплотнения следует обратить особое внимание на безопасность их работы вблизи бровок
насыпей, в кюветах и т. п. При такой работе может произойти сползание грунта, которое при
недостаточной поперечной устойчивости машины часто приводит к ее опрокидыванию.
Опрокидывание машины может произойти и при ее поворотах, в тех случаях, когда ширина
насыпи менее удвоенного радиуса поворота машины. Поэтому снижение радиуса поворота
машины не только увеличивает ее маневренность, но и создает условия для более безопасной
работы.
§ 11. БУЛЬДОЗЕРЫ
Бульдозеры предназначены для копания грунта и перемещения его на
сравнительно небольшие расстояния—до 50—100 м. Они применяются для возведения
невысоких насыпей, разработки выемок, выравнивания рельефа местности, разравнивания
грунта и всевозможных сыпучих
Рис.61. универсальный бульдозер с канатным управлением:
1 – лебёдка, 2 – направляющий блок, 3 – трактор, 4 – подъёмник, 5полиспаст, 6 – боковой толкатель, 7-отвал,8-толкающие брусья рамы
материалов, засыпки рвов и траншей, планировочных работ и т. п. Возможность применения
бульдозеров на разнообразных работах послужила причиной весьма широкого их
распространения. Они относятся к наиболее часто встречающимся землеройнотранспортным машинам.
Бульдозеры представляют собой колесные или гусеничные тракторы, оборудованные отвалом (рис.
61). Отвал относится к числу сменного навесного оборудования и при необходимости может быть
заменен отвалом кустореза, корчевателем-собирателем, снегоочистителем и т. п.
Бульдозер состоит из базовой машины, которой может служить гусеничный трактор или
двухосный тягач, рамы, отвала и системы управления.
102
Рабочий процесс бульдозера состоит из операций копания, перемещения и
разравнивания грунта. При копании режущая часть отвала заглубляется в грунт,
одновременно бульдозер движется вперед. Вырезаемый со дна забоя грунт накапливается
перед отвалом, образуя призму волочения. По достижении призмой грунта высоты отвала
последний выглубляется и бульдозер перемещает эту призму к месту разгрузки. Далее
производится разравнивание этой призмы грунта. Для этого, не прекращая движения, отвал
несколько приподнимается. Операция разравнивания может производиться и при движении
бульдозера в обратном направлении. Для этого на месте разгрузки бульдозер несколько сдает
назад, отвал приподнимается и затем движением всей машины вперед заводится за призму
грунта, а затем опускается до нужного уровня. После этого
включается задний ход, во время которого и происходит разравнивание грунта.
По назначению бульдозеры разделяются на машины общего
Таблица 8. Классификация бульдозеров
по номинальному тяговому усилию
и мощности двигателя
Тип
Сверхтяжелые
Тяговое
Мощность
усилие кН двигателя
кВт
>300
>220
Тяжёлые
Средние
Лёгкие
Малогабаритные
200—300
140—200
30—140
<30
110—220
55—110
25—55
<25
Рис.62. Изменение мощности
гусеничных бульдозеров по годам
назначения, т. е. предназначенные для выполнения разных работ, и машины специального
назначения. Последние служат для каких-либо определенных видов работ — снегоочистки,
работы на торфяных разработках и т. п.
Классификация бульдозеров по номинальному тяговому усилию и мощности
двигателя дана в табл. 8. По номинальным тяговым усилиям классифицируются гусеничные
бульдозеры, а по мощности двигателя — колесные. Под номинальным тяговым усилием
понимается то наибольшее тяговое усилие, которое может быть реализовано на плотном
грунте при коэффициенте буксования не выше 7% для гусеничных и 20% для колесных
машин. Следует заметить, что имеет место тенденция к повышению мощности бульдозеров,
что подтверждается графиком (рис. 62), устанавливающим среднестатистический рост по
годам мощности гусеничных бульдозеров, применяемых на крупных земляных работах, в
мировой практике строительства.
На крупных земляных работах в настоящее время применяются тяжелые и
сверхтяжелые бульдозеры, причем мощность их двигателей продолжает возрастать. Поэтому
приведенная классификация до некоторой степени условна и в дальнейшем будет
изменяться.
По типу ходового устройства базовой машины бульдозеры разделяются на гусеничные и
колесные, а по месту размещения рабочего органа они могут быть с передним и задним
расположением отвала.
Отвал обычно устанавливается перпендикулярно к направлению движения бульдозера.
Некоторые типы машин позволяют его поворачивать в плане на некоторый угол, что дает
возможность перемещать грунт в стороны. Такие машины называются бульдозерами с
103
поворотным отвалом или универсальными. Сверхтяжелые типы бульдозеров, как правило,
устраиваются с неповоротными отвалами.
По системе управления бульдозеры разделяются на машины с канатным и
гидравлическим управлениями. При канатном управлении подъем отвала осуществляется
канатом, который наматывается на барабан тракторной лебедки, а опускание отвала
производится под действием силы тяжести. Устройство канатного управления показано на
рис. 61. Лебедка 1 обычно размещается в задней части трактора и приводится в движение от
вала отъема мощности. Канат пропускается через направляющие блоки 2 и затем через блоки
полиспаста. Неподвижная обойма полиспаста укрепляется на раме тягача, а подвижная — на
отвале.
Рис.63. Бульдозер с гидравлическим управлением: 1 – отвал, 2 – гидроцилиндры,
3 – гидронасос, 4 – упряжной шарнир, 6 – олкающий брус рамы, 6 - лыжи
Гидравлическое управление позволяет производить принудительное заглубление
отвала в грунт, что особенно важно при работе на тяжелых грунтах. Система может включать
в себя один или два гидроцилиндра двойного действия (рис. 63). Корпуса гидроцилиндров
через стойки шарнирно укреплены на раме трактора. При одном гидроцилиндре для этой
цели обычно применяется универсальный шарнир. Штоки цилиндров укрепляются на раме
бульдозера. Для подъема и опускания отвала используются гидроприводы с рабочим
давлением до 16 МПа. Подвод масла к цилиндрам осуществляется через резиновые шланги
или металлические трубки, свернутые в виде компенсатора. Для ограничения опускания
отвала служат лыжи.
Наклон отвала вперед или назад может осуществляться гидроцилиндрами или путем
перестановки соответствующих упоров вручную. Гидравлическое управление отвалом
облегчает разгрузку грунта и позволяет получить наиболее выгодные углы установки отвала.
Ввиду явных преимуществ гидравлического управления бульдозеры с канатным
управлением постепенно снимаются с производства. В СССР канатное управление имеют
только 17% всех выпускаемых промышленностью марок машин.
Бульдозерное оборудование навешивают и на колесные двухосные тягачи. При этом
для повышения определяемого по условиям сцепления толкающего усилия массу тягачей
часто повышают балластировкой.
Особенно
104
выгодны тягачи, имеющие шарнирно-сочлененные рамы, которые снижают радиус поворота и
позволяют работать тягачам в стесненных условиях. Колесные бульдозеры выпускаются только с
гидравлическим управлением. Получают распространение бульдозеры на спаренных тракторах (рис.
64). Здесь тракторы соединены поперечной балкой, которая через шаровые шкворни связана с
кронштейнами, установленными на задних панелях задних мостов тракторов. Средний толкатель
связан шаровым шарниром с поперечной балкой и тыльной поверхностью отвала в его средней
части. Кроме того, края отвала соединены с каждым из тракторов боковыми толкателями. Отвал
поднимается и опускается гидравлическими цилиндрами. Перед отвалом может транспортироваться
10—12 м3 грунта. Управление агрегатами и гидросистемами спаренное, осуществляется одним
оператором с помощью
Рис.64. Схема бульдозера на
спаренных тракторах:
1 и 2 – тракторы, 3 – отвал, 4 –
боуовые толкатели, 5 – поперечная
балка, 6 – средний толкатель, 7 кронштейны
Рис.65. Профиль отвала и схема его
установке в плане
пневматических устройств. Мощность двигателя каждого трактора составляет 285 кВт, а полная
масса бульдозера равна 85 т. Применение спаренных тракторов оказалось выгоднее, чем одного
мощного трактора, что объясняется возможностью установки на машину более широкого отвала.
Выпускаются новые специальные бульдозеры, которые могут служить толкачами. Толкачи
необходимы при скреперных работах и применяются при наборе ими грунта. Бульдозеры-толкачи
отличаются от обычных обязательным наличием амортизирующего устройства в месте отвала к толкающим брусьям. Отвалы этих бульдозеров усиливаются, а иногда заменяются специальными
толкающими плитами.
На рис. 65 изображен профиль отвала бульдозера. Основными параметрами являются: угол
резания


, который у существующих машин находится в пределах 40—75°; угол опрокидывания
= 30÷80°; угол наклона
0
= 70÷90о; угол установки козырька (  K ; радиус кривизны отвальной
поверхности R; высота отвала. В; высота отвала с козырьком
поверхности а; длина отвала L.
BK ; длина прямой части отвальной
105
Параметры отвала оказывают значительное влияние на сопротивление грунта копанию
и волочению. При правильно выбранных параметрах сформированная при вырезании
стружка грунта должна двигаться вверх по поверхности отвала и обрушиваться по
направлению его движения, т.е. вперед. При неправильном профиле отвала могут иметь
место случаи, когда грунт будет двигаться не по отвалу, а выпирать сквозь призму волочения, что значительно повысит необходимое тяговое усилие.
Сопротивления, связанные с отделением грунта от массива, снижаются с уменьшением
угла резания, однако при этом возрастает сила, необходимая для заглубления отвала в грунт.
Для формирования стружки грунта необходимо иметь какую-то минимальную призму
волочения, поэтому на этот процесс влияет длина прямой части отвальной поверхности а.
Последняя должна обеспечивать формирование стружки,
Таблица 9. Значение высоты
после чего ее длина уже
отвала (Н) без козырька
большого значения не имеет.Обычно величина а выбирается равной высоте ножа.
Класс базового Н, мм
На сопротивление грунта подъему оказывает
трактора
по
влияние радиус кривизны отвальной поверхности R.
номинальному
Чтобы сопротивление подъему было минимальным, этот
тяговому
радиус должен быть переменным. Однако ввиду
усилию, кН
трудностей изготовления такого отвала обычно выпол40
700—750
няют его по дуге окружности радиуса R  B.
60
800—900
В результате проведенных исследований для
100
900—1100
бульдозеров общего назначения рекомендуется брать
150
1100—1200
угол резания  = 55°, угол опрокидывания  = 75° и
250
1200—1300
350
1300—1400
угол наклона  0 = 75°.
Длина отвала L должна превышать ширину
машины не менее чем на 100 мм с каждой стороны. В
случае бульдозеров с поворотным отвалом это требование должно удовлетворяться также и
 = 75°. Такая длина отвала обеспечивает бульдозеру
при повороте отвала на угол
возможность работать в траншеях. Однако отвалы большей длины нежелательны, так как они
приводят к снижению удельной силы тяги, т. е. той силы тяги, которая приходится на
единицу длины отвала, что затрудняет работу бульдозеров на тяжелых грунтах. Вместе с тем
при проектировании отвалов следует предусмотреть возможность установки на них
специальных удлинителей, что обеспечит большую производительность при работе их на
легких грунтах.
Для полного использования мощности базовой машины высоту отвала В следует
выбирать в зависимости от номинальной силы тяги Т бульдозера и вида грунта. При этом для
средних грунтовых условий можно пользоваться данными, приведенными в табл. 9.
Номинальные тяговые усилия для гусеничных машин можно определить по формуле
T  Gсц ,
(II.30)
где G—сила тяжести бульдозера;  сц —коэффициент сцепления, который может быть
принят равным 0,9 для гусеничных машин и 0,6 для колесных.
Козырек предохраняет грунт от пересыпания через отвал. Его высота H K может быть
принята равной (0,1÷0,2) В.
Отвалы неповоротного бульдозера обычно по концам имеют приваренные щеки,
которые предотвращают высыпание грунта и тем самым
106
повышают его производительность. Эти щеки одновременно служат ребрами жесткости.
Необходимая для работы бульдозера сила тяги расходуется на преодоление
следующих сопротивлений грунта: резанию W1 ; перемещению его как вверх по отвалу W2,
так и перед отвалом W3. В случае бульдозера с поворотным отвалом необходимо учесть
также сопротивление, возникающее от перемещения грунта вдоль отвала, т. е. в сторону W4 .
Эти сопротивления могут быть найдены по приведенным ранее расчетным формулам (II.3),
(II.4), (II.7), (II.8). При расчете сопротивления резанию W1 толщину стружки можно
принимать равной 8—12 см.
Удельное сопротивление грунта лобовому резанию (Н/см3)
Для грунта I категории ............. . 7—10
»
»
II
»
..............10—18
»
»
III
»
..............18—20
Кроме этих сопротивлений возникает еще сопротивление от перемещения бульдозера
как тележки, которое может быть рассчитано по формуле
W5  G( f  i)
(II.31)
Таким образом, общее сопротивление в конце процесса зарезания неповоротного
бульдозера найдется по формуле
W  W1  W2  W3  W5
Максимальное сопротивление, возникающее при работе поворотного бульдозера,
W  W1  W2  W3  W4  W5
При работе бульдозера по транспортированию грунта имеют место непрерывные
потери за счет соскальзывания грунта с краев отвала в боковые валики. Для сохранения
заданной производительности бульдозера необходимо компенсировать эти потери
постоянным заглублением отвала на величину h1 которая может быть определена по
формуле (м)
h1 
VПОТ
,
Ll
(II.32)
где VПОТ — объем потерянного грунта на 1 м пути движения бульдозера, м3; L — длина
отвала, м; l — длина пути, l = 1 м.
Можно считать, что объем потерянного грунта составляет около 3% от общего объема
призмы волочения в случае связных грунтов и около 6% — при грунтах несвязных.
Это постоянное заглубление отвала в грунт необходимо учитывать при движении
бульдозера на уклон, который может достигать i = 0,3÷ 0,4. В этом случае (при полной
загрузке отвала грунтом) необходимое тяговое усилие может оказаться выше, чем при заборе
грунта в забое.
Для увеличения производительности во время забора грунта в забое необходимо стремиться к
полному использованию мощности двигателя.
Такой режим работы бульдозера, где резание грунта производится при постоянном
заглублении отвала в грунт, не отвечает этому требованию. Здесь, в начале процесса набора грунта,
мощность двигателя недоиспользуется, а в конце двигатель оказывается перегруженным. Поэтому
при рациональном режиме работы отвал вначале заглубляют на большую глубину, а затем, по мере
образования призмы волочения, постепенно снижают толщину стружки. При такой работе
бульдозера путь набора грунта снижается в 1,5 раза и полностью используется мощность
двигателя.
107
Хорошие результаты дает спаренная работа двух бульдозеров, движущихся таким образом, чтобы их
отвалы являлись как бы продолжением друг друга и зазор между ними не превышал 0,3—0,4 м. В
этом случае, значительно снижаются потери грунта и производительность увеличивается еще за счет
того, что находящийся между отвалами грунт также уносится вместе с призмой волочения. Работу
одиночного бульдозера следует организовывать так, чтобы его движение происходило по одному
следу. Тогда получающиеся по бокам валики грунта образуют своеобразную траншею, что снижает
потери.
Производительность (м3/ч) бульдозера при резании и перемещении грунта определится по
формуле
П
где Vnp
3600Vпр k B k укл
(II.33)
tЦ
— объем грунта в призме волочения, определяемый по формуле (II.6), м 3; kB—
коэффициент использования бульдозера по времени, обычно равный 0,8—0,9; k укл —
коэффициент, учитывающий влияние на производительность уклона местности, при
движении под уклон k укл =1,3÷1,8, а при движении на уклон k укл = 0,8÷0,5; t Ц —
длительность цикла, с.
Длительность (с) цикла найдется по формуле
tЦ 
где
l P l0 l П
 
 tc  t0 ,
v1 v0 v П
(II.34)
l P , lП и l0 — длина пути резания, перемещения грунта и обратного хода, м; v1 , v0 и
vП — соответствующие им скорости, м/с; tc — время, затрачиваемое на переключение
передачи (обычно 3—5 с); t0 = 2÷3с — время опускания отвала.
Если в схеме работы бульдозера предусмотрены его повороты при определении
времени цикла, должно быть учтено затрачиваемое на это время.
Скорости движения бульдозера, и особенно при рабочем ходе, должны определяться с
учетом коэффициента буксования. Длину пути следует находить с учетом физикомеханических свойств грунтов, которые в данном случае определяются удельным
сопротивлением грунта лобовому резанию k0. Используя равенство
k 0 F  T  G( f  i),
можно найти, что
k 0V ПР
lp 
(II.35)
T  G ( f  i)
где F = VПР /lp — сечение стружки; Т — определяемое по формуле (II.30) номинальное
тяговое усилие.
При планировочных работах производительность (м2/ч) бульдозера найдется по
формуле
П
3600  l ( L sin   0,5)k B
,
l
n(  t П )
v
(II.36)
где l — длина планируемого участка, м; L — длина отвала, м;  — угол поворота отвала в
плане; v — рабочая скорость движения бульдозера, м/с;
п — число проходов по одному
месту.
Производительность бульдозера можно повысить, увеличив размеры отвала и снизив
потери грунта. Последнее может быть осуществлено путем постановки на концы отвала
открылков и лобовых щитков.
108
Для расчета механизма подъема и основных частей бульдозера на прочность, а также
для проверки его устойчивости необходимо выявить те силы, которые воздействуют на него
во время работы.
Для расчета отдельных деталей и агрегатов бульдозерного оборудования на прочность
(отвала, толкающих брусьев и т. п.) должны быть выявлены те максимальные усилия,
которые могут возникнуть в отдельные моменты работы машины. При этом разным
агрегатам соответствуют различные опасные моменты и положения рабочего оборудования,
Рис. 66. Схема сил, действующих на бульдозер
в связи с чем приходится рассматривать несколько расчетных схем.Вначале следует рассмотреть
момент, соответствующий окончанию процесса копания грунта, когда призма волочения уже
сформировалась, но вместе с тем отвал еще заглублен на какую-то глубину. Предполагается,что
работа производится на горизонтальном участке. Этот момент соответствует наибольшему
сопротивлению. Схема сил, действующих на навесное оборудование при неповоротном отвале с
канатным управлением в этот момент времени, представлена на рис. 66.
На отвал бульдозера действует результирующая сил сопротивления копанию Р0, сила тяжести
навесного оборудования G, сила со стороны механизма подъема отвала, натяжение полиспаста, или
усилие на штоке гидроцилиндра S и реакция R в упряжном шарнире О, которая может быть
разложена на горизонтальную Rx и вертикальную R y составляющие.
Согласно проведенным исследованиям направление действия силы Р0 зависит от угла
резания, а также от вида и состояния грунта. При принимаемом обычно угле резания 50° и
заглублении отвала на 10—12 см результирующая приложена на высоте H1  0,2H и при
плотных грунтах направлена под углом v  15  20 °. При рыхлых грунтах можно полагать v =
0. Эта результирующая может быть разложена на горизонтальную Р01 и вертикальную Р02
составляющие. При нормальной работе бульдозера обычно Р01 = ( 15 20 ) TH , где TH —
номинальное тяговое усилие трактора. Однако здесь при выявлении максимальных усилий
следует принять
P01  TP ,
где TP — максимальное (расчетное) тяговое усилие трактора с учетом динамического
характера его приложения, которое может быть найдено по формуле
TP  k Д Gб сц
(II.37)
Здесь G6 — сила тяжести бульдозера;  сц — коэффициент сцепления, для гусеничного хода
 сц = 0,8÷1,0; k Д = 1,5— коэффициент динамичности.
109
Проектируя все силы на горизонтальную ось, можно найти горизонтальную составляющую реакции в
упряжном шарнире
Rx  P01  S cos  TP  S cos .
(II.38)
Вертикальная реакция R y найдется из уравнения равновесия относительно точки приложения силы
Р0:
R y l1  G (l1  l 2 )  R x m  Sr0  0 ; R y 
Rx m  Sr0  G(l1  l 2 )
(II.39)
l1
Вертикальная cоставляющая сил сопротивления копанию определится по формуле
P02  P01tgv  0,3P01 .
(II.40)
Наконец, сила натяжения подъемного полиспаста найдется из условия равновесия системы
относительно упряжного шарнира:
Sr  P02l1  P01m  Gl2  0

P02l1  P01m  Gl2

S

r
(II.41)
Найденная таким образом сила S определяет то значение натяжения полиспаста, которое
Рис.67. Схема сил, действующих на бульдозер в начале подъёма
загруженного грунтом отавла
обеспечивает постоянное положение отвала в рабочем состоянии. Для подъема отвала на ходу из рабочего
положения в транспортное к нему должна быть приложена другая сила S П , которая превышает силу S.
Согласно схеме на рис. 67 сила подъема S П определяется из условия равновесия относительно
упряжного шарнира О
G1l 2  Pc l1  Gl3  P01m
,
r
где G1 — сила тяжести поднимаемого с отвалов грунта; G1  FL 0 g
SП 
(II.42)
(F — показанная на схеме
штриховой линией площадь поперечного сечения грунта; L — длина отвала;  0 — объемная масса грунта); Рс
— сила сопротивления грунта сдвигу, которая действует по поверхности раздела поднимаемого грунта и
части призмы, остающейся на месте Pc  TP f 2  CBL [ TP — максимальная, определяемая по формуле (II.37)
сила тяги];
110
f 2 = 0,8÷1,0 — коэффициент трения грунта о грунт; В — высота отвала; L — ширина отвала (см. рис.
65); С = 4÷6 Н/см2 — коэффициент сцепления грунта при сдвиге; G — сила тяжести навесного
оборудования бульдозера.
При некоторых (критических) значениях усилия подъема S кр и недостаточной устойчивости
машины может произойти ее опрокидывание относительно передней кромки гусениц (точка А на
рис. 67). Из условия равновесия системы относительно этой точки критическое значение силы подъема
S кр 
GT l5
,
r1
(II.43)
где GT — сила тяжести трактора.
Очевидно, что выглубление отвала становится возможным при соблюдении
следующего неравенства:
S П  S кр
(II.43)
Наибольшее, т. е. расчетное значение силы подъема, может быть определено по
мощности двигателя трактора. На эту силу следует рассчитывать полиспаст и детали рамы
бульдозера.
Бульдозер с гидравлическим управлением осуществляет принудительное заглубление
отвала. Максимальная сила, действующая по штокам гидроцилиндров, определяется из
условия опрокидывания бульдозера относительно точки В (рис. 67). Значение этой
критической силы заглубления можно найти из условия равновесия системы относительно
этой точки. По найденной таким образом критической силе рассчитывается система
гидравлического управления, а рабочее оборудование бульдозера проверяется на прочность.
В случае бульдозера с поворотным отвалом при угле захвата 0 <  < 90° появляется
еще боковая составляющая от результирующей силы копания. Эту боковую составляющую
P03 можно найти, пользуясь схемой на рис. 51 с учетом того, что результирующая P03
действует в плоскости, перпендикулярной плоскости отвала. Боковая составляющая P03
стремится повернуть бульдозер относительно вертикальной оси, проходящей через его центр
тяжести. Такому повороту препятствуют силы сцепления, развивающиеся между гусеницами
машины и поверхностью грунта. Поэтому бульдозер следует проверить на устойчивость тем
же методом, который был применен при проверке устойчивости кустореза.
Для расчета отдельных частей навесного оборудования бульдозера на прочность
необходимо выбрать расчетные положения.
Основным расчетным положением может быть принято предположение внезапного
наезда отвалом на непреодолимое препятствие. В этом случае полное буксование машины
наступает прежде ее остановки. Поэтому максимальное тяговое усилие может быть
определено по условию сцепления с учетом дополнительного действия инерционных сил.
Учесть действие последних можно путем введения коэффициента динамичности. Таким
образом, для определения развивающегося при таком наезде максимального усилия
P01  TP может служить выражение (II.37).
При этом следует рассматривать два варианта: отвал упирается в препятствие средней
частью и отвал упирается в препятствие краем. Первое расчетное положение служит
проверкой на прочность отвала, а второе— для расчета толкающих брусьев и подкосов.
Схема для проверки прочности отвала приведена на рис. 68, а. Внешняя сила P01
приложена посередине отвала в нижней его части. Поэтому следует считать, что эта нагрузка
воспринимается только очерченным на схеме нижним поясом жесткости, момент инерции и
111
момент сопротивления которого относительно осей инерции XX и ZZ может быть определен графоаналитическим способом. Опасным будет сечение I—I(рис. 68, б). Для расчета силу следует привести к центру
тяжести сечения O1 (рис. 68, а). В результате на отвал будут действовать силы P1 и P1 и проявившийся ввиду
такого приведения крутящий момент M кр  P1 a  P2 b Сила P1 будет изгибать отвал в плоскости ее
действия. Она является наиболее опасной. Изгибающий
момент здесь
M из 
P1 L1
.
4
(II.45)
Другая сила P2 будет также изгибать отвал, но уже в плоскости, перпендикулярной к только что
рассмотренной.
Рис.68.Схемы для расчёта на
прочностьоборудования бульдозера
При гидравлическом управлении для проверки сечения отвала следует еще рассмотреть случай его
заглубления максимальной силой при одновременном движении машины вперед. Здесь горизонтальная сила
P01 (рис. 68, г) может быть определена по сцепному весу
P01  Gб сц ,
(II.46)
а появившаяся в результате заглубления максимальная приложенная к отвалу вертикальная сила P02 найдется
из условия вывешивания трактора относительно точки В (рис. 67)
G(l3  l6 )  GT (l 4  l6 )
(II.47)
l1  l6
и P02 переносятся к центру тяжести сечения O1 и дальнейший расчет производится так же, как и в
P02 
Силы P01
предыдущем случае.
При расчете толкающих брусьев 1 и 2 (рис. 68, б) и подкосов 3 и 4 предполагается, что сила
P01  T p  k Д Gб  сц прилажена к краю отвала.
112
Можно полагать, что в этот момент кроме силы O1 , может также действовать вертикальная
сила P02  0,2 P01 . На отвал действует еще сила подъема S, которую можно найти,
рассматривая равновесие всех сил относительно упряжного шарнира О. Из условия
равновесия системы, подобного тому, которое было рассмотрено выше [формулы (11.38) и
(11.39)] могут быть найдены реакции в упряжных шарнирах R 'x и R 'y . Опасным сечением
бруса будет являться сечение II—II. Изгибающие моменты в этом сечении найдутся: в
вертикальной плоскости M B  R 'y  l2 ;в горизонтальной -пакости M г  R x c . Брусья должны
быть также проверены на продольный изгиб.
При расчете подкоса следует допустить неравномерное распределение нагрузки между
ними. Например, для подкоса 4 худшим будет случай, когда подкос 3 и толкающий брус 2 не
работают. Тогда, из условий равновесия отвала относительно точки крепления толкающего
бруса 1, сила,
действующая на подкос, найдется по формуле
PП 
2 P01 L1
L1  L2
(II.48)
Эта сила должна быть разложена на составляющие, направленные вдоль подкоса и
перпендикулярно к этой оси. На действие первой составляющей подкос следует проверить на
продольную устойчивость, а вторая составляющая будет оказывать поперечный изгиб.
Если рама бульдозера с неповоротным отвалом образуется толкающими брусьями и
отвалом (рис. 68, б), то рама бульдозера с поворотным отвалом состоит из двух соединенных
между собой изогнутых брусьев, образующих как бы арку (рис. 68, в). Отвал присоединяется
к раме с помощью имеющего сферическую головку шарнирного соединения. Положение
отвала относительно шарнира фиксируется боковыми упорами. Наибольшие напряжения
возникнут при наезде на препятствие краем отвала, когда угол захвата равен 90°. Тогда этот
край подвергается действию усилия, которое может быть определено по формуле (II.37).
Максимальное усилие, действующее на сферическую головку шарового шарнира
рамы, найдется в предположении, что упор В не работает. Тогда отвал может быть уподоблен
рычагу, поворачивающемуся вокруг шарнира упора А. В этом случае сила, действующая на
сферическую головку рамы, найдется по формуле
P  P01 (1 
L
).
L1
(II.49)
Далее раму можно рассматривать как шарнирную арку.
§ 12. СКРЕПЕРЫ
Назначение и классификация. Скреперы являются землеройно-транспортными
машинами, предназначенными для послойной разработки грунта и транспортирования его на
расстояния до 500 м, а в случае самоходных машин — даже до 5—8 км. Скреперы обычно
устраиваются так, что операция разгрузки у них сочетается с разравниванием грунта, поэтому применения для такого разравнивания специальных средств обычно не требуется.
Скреперами можно разрабатывать грунты до IV категории включительно. При этом для
облегчения копания грунты III—IV категорий рекомендуется предварительно разрыхлять
рыхлителями. Скреперы используются в различных областях строительного производства: в
транспортном, гидротехническом, промышленном и т. д. Они применяются для возведения
насыпей, дамб, разработки выемок, вскрышных работ и т.п.
113
Рабочий процесс скреперов состоит из операции копания, во время которой
происходит набор грунта в ковш, транспортирования груженого скрепера, перед чем ковш
приводится в транспортное положение, разгрузки грунта и транспортирования
разгруженного скрепера назад в забой (рис. 69).
Скреперы принято классифицировать по емкости ковша, способу их передвижения, схеме
подвески ковша, способу загрузки и разгрузки и по системе управления.
Емкость ковша является основным параметром скрепера. В зависимости от емкости ковша
скреперы бывают малой (до 5 м3), средней (6—15 м3) и большой (>15 м3) емкости. Имеет
место непрерывная тенденция к увеличению емкости ковшей скреперов, которая объясняется
не только необ-
Рис.69. Схемы устройства и работы скреперов:
I- c принудительной разгрузкой, II- с полупринудительной разгрузкой, III- со
свободной разгрзкой. а – загрузка, б – транспортное положение, в – разгрузка.
ходимостью иметь машины более высокой производительности, но и теми выгодами, которые имеют
место благодаря тому, что при больших объемах работ стоимость разработки единицы объема грунта
снижается с увеличением емкости ковша скрепера. За двадцать лет, т. е. с 1950 по 1970 год, средняя
емкость ковшей скреперов возросла примерно в 3 раза, а суммарная мощность установленных на них
двигателей — примерно в 2,5 раза. В настоящее время в мировой практике строительства основные
объемы земляных работ выполняются скреперами и скреперными поездами, суммарная емкость
ковшей которых достигает 40—50 м3. Известны скреперы, имеющие емкость ковшей, близкую к 80
м3, и скреперные поезда, суммарная емкость ковшей которых достигает 180 м3.
По способу передвижения скреперы разделяются на прицепные, полуприцепные и
самоходные. Прицепные скреперы работают с гусеничным или двухосным колесным трактором или
тягачом и большей частью выполняются двухосными, а в некоторых случаях c— одноосными..
Полуприцепные скреперы обычно делаются одноосными, поэтому часть своего веса они
передают на тягач, что повышает его сцепной вес и улучшает тем самым тяговую характеристику.
Полуприцепные скреперы, как правило, рассчитываются на работу с одноосными тягачами, хотя в
отдельных случаях для этой цели применяются также и двухосные тягачи. Полуприцепной скрепер с
одноосным тягачом (рис. 70) представляет собой весьма маневренную тележку с небольшим
радиусом поворота, способную развивать скорость до 45—60 км/ч. Эти машины получили
наибольшее распространение.
114
Рис. 70. Полуприцепной скрепер:
1—тягач; 2 — ведущие колеса; 3 — сцепное устройство; 4—гидроцилиндры
поворота; 5 — гидроцилиндр подъема ковша; 6 —маслопроводы: 7 — передок;
8 — заслонка;
9 — ковш и задняя рама; 10 — задняя стенка; 11 —ведомые колеса; 12—
буферное устройство; 13 - ножи
115
Единственным преимуществом двухосных тягачей является возможность получения в
одинаковых дорожных условиях более высоких скоростей движения, максимальные
значения которых достигают 65— 70 км/ч.
Самоходные скреперы исполняются колесными или гусеничными. Здесь, в отличие от
полуприцепной машины, тягач отдельно использован быть не может.
По схеме подвески ковша скреперы разделяются на машины рамной конструкции, где
имеется специальная рама, на которой укрепляется ковш, и на скреперы безрамной
конструкции, где рамой является сам ковш.
Наибольшее распространение получили скреперы безрамной конструкции.
Загрузка грунта в ковш может происходить
под действием давления срезаемой стружки и в
результате работы специального загрузочного
скребкового конвейера (рис. 71), установленного в
передней части ковша. В последнем
случае
необходимое при заполнении ковша тяговое
усилие снижается на 20—25%.
По способу разгрузки скреперы разделяются
на
машины с принудительной, полупринудительной и
свободной разгрузкой (см. рис. 69). В первом
случае грунт выталкивается перемещающейся
задней стенкой, что обеспечивает наилучшую
очистку ковша.
Рис.71. Схема скрепера со скребковым
конвейром
Рис.72. Формы ножей
скрепера
Однако при этом развиваются большие усилия и затрачивается значительная работа.
При полупринудительной разгрузке днище ковша вместе с задней стенкой поворачивается вокруг
своей передней части, что обеспечивает хорошую очистку боковых стенок ковша, но само днище и
задняя стенка при липких влажных грунтах очищаются неудовлетворительно. При свободной
разгрузке грунт выгружается путем опрокидывания всего ковша. Здесь условия очистки ковша от
грунта наихудшие, поэтому этот способ применим лишь при емкости ковша до 2—3 м3.
По системе управления различают скреперы с канатным и гидравлическим управлением. При
канатном управлении подъем ковша осуществляется натяжением каната, а его опускание
производится под действием собственного веса. Гидравлическое управление позволяет осуществлять
принудительное заглубление ковша в грунт. Канатное управление применяется в настоящее время
сравнительно редко и только в случае прицепных машин.
Общий вид полуприцепного скрепера представлен на рис. 70. Рабочим органом машины
служит ковш, который снабжен ножом. Нож в плане может иметь прямоугольную, ступенчатую и
полукруглую формы (рис. 72). Ступенчатая форма ножа при некотором выглублении ковша
позволяет иметь стружку меньшей ширины. Кроме основного ножа к боковым стенкам ковша
крепятся еще вспомогательные ножи, которые как
116
бы урезают грунт, что снижает как общее усилие резания, так и боковые потери грунта.
В передней части ковша имеется заслонка, которая увеличивает его геометрическую
емкость и обеспечивает необходимый для наполнения напор грунта. Последний создается
ввиду пропуска грунта в щель, которая образуется между нижней частью заслонки и ножом.
Заслонка может быть самооткрывающейся
(плавающей)
или
управляемой.
Самооткрываюшаяся заслонка устроена и
подвешена к ковшу так, что она самопроизвольно поднимается под влиянием усилия,
действующего на нее со стороны призмы
волочения грунта. Подъем и фиксирование
в определенном положении управляемой
заслонки производятся при помощи
специального
подъемного
механизма,
который в случае канатного управления
Рис.73. Схема ковша скрепера
может быть блокирован с механизмом
подъема и опускания ковша. Каждому виду
грунта соответствует определенная величина подъема заслонки, которая обеспечивает
наилучшее заполнение ковша. Однако регулирование высоты подъема заслонки возможно
лишь в случае управляемого варианта, поэтому скреперы, как правило, снабжаются только
управляемыми заслонками.
Следует стремиться к возможно более плотному заполнению ковша скрепера грунтом.
Степень заполнения зависит от большого количества факторов, из которых главными
являются физико-механические свойства грунта, соотношение между основными размерами
ковша, форма ковша, а также конструкция заслонки. Основным параметром не только ковша,
но и всего скрепера является емкость. Кроме того, к числу основных параметров ковша
относятся его ширина В(рис. 43), высота H и длина L (рис. 73).
Процесс заполнения ковша грунтом исследовали неоднократно. Установлено также,
что характер заполнения зависит от физико-механических свойств грунтов. Профессор К.А.
Артемьев процесс заполнения ковша разделяет на фазы. Во время первой фазы грунт,
двигаясь по направлению к задней стенке ковша, заполняет часть общего объема ковша. Во
время второй фазы заполняется объем заслонки и, наконец, наступает момент, когда
дальнейшее наполнение ковша становится возможно лишь путем продавливания вновь
поступающего грунта через уже находящийся в ковше грунт. Это происходит во время
третьей фазы заполнения.
Выше уже отмечалось, что наилучшая форма ковша соответствует той форме, которую
приобретает грунт при его свободной укладке, т. е. когда задняя стенка отсутствует. Эта
форма зависит от природы и состояния грунта. Ввиду невозможности иметь ковши для
каждого вида грунта при его проектировании следует ориентироваться на какие-то средние
условия.
На сопротивление наполнению огромное влияние оказывает высота ковша H, под
которой понимается расстояние от днища до наиболее высокой его точки (рис. 73). По мере
роста высоты сопротивление заполнению прогрессивно возрастает, подчиняясь примерно
квадратичной зависимости. Поэтому высоту следует выбирать возможно меньшей, добиваясь
получения необходимого объема в основном за счет ширины и длины ковша.
Для перевозки скрепера по железной дороге ширина его ограничена
железнодорожным габаритом и должна быть увязана с шириной колес тягача или трактора.
Для лучшей проходимости скрепера ширину колеи его задних колес целесообразно делать
равной ширине колес колесного
117
или гусеничного хода тягача. Тогда минимальная ширина ковша, измеренная по поверхности
его наружных стенок, определится по формулам: при одиночных колесах скрепера
B  BT  BШ  2b ;
(II.50)
при сдвоенных колесах скрепера
B  BT  2BШ  2b ,
где BT — ширина колеи тягача, мм; BШ — ширина пневматической шины, мм; b = 30÷60
мм — необходимый зазор между внутренней поверхностью шины и боковой стенкой ковша.
При такой ширине ковша возможно рыть траншеи с вертикальными стенками и колеса
будут всегда следовать по срезанной ковшом поверхности грунта, что облегчит их
передвижение и будет способствовать получению одинаковой по ширине ковша стружки
грунта. Кроме того, при этом колеса будут уплотнять выгруженную из ковша призму грунта.
Вообще ширину ковша следует выбирать возможно большего значения, так как такое
стремление при одной и той же емкости ковша позволит снизить его высоту, что, в свою
очередь, дает возможность уменьшить энергоемкость. При выборе высоты ковша H
ориентировочно можно полагать H = тВ, причем т  0,4÷0,6.
Высоту задней стенки обычно выбирают в пределах H3 = (0,4 ÷0,5) H, Между длиной
ковша и его высотой может быть принято соотношение
L = (1,4÷1,8) H.
Здесь меньшее значение коэффициента соответствует ковшам средней емкости, а большее —
ковшам малой емкости.
Тяговый расчет скрепера. Возникающие при работе скрепера сопротивления в
сильной степени зависят от совершаемой операции. Максимальное сопротивление
развивается в процессе наполнения ковша грунтом и особенно в конце наполнения, а
минимальные сопротивления обычно соответствуют обратному движению порожнего
скрепера в забой. Если мощность двигателя скрепера выбирать по максимальному значению
сопротивления, то в остальное весьма продолжительное время работы она не будет использоваться, что невыгодно.
Для преодоления развивающихся при наполнении ковша, хотя и очень больших, но
кратковременных
сопротивлений
применяют
различные
методы.
Наибольшее
распространение получил метод повышения общего тягового усилия за счет применения
трактора-тягача. Последний, находясь в забое, поочередно обслуживает несколько
прицепных или полуприцепных скреперов. Исследования показывают, что с ростом толкающего усилия путь и время набора грунта снижаются, а коэффициент наполнения ковша
возрастает. При этом гусеничные тягачи, особенно при работе на рыхлых и супесчаных
грунтах, оказываются более эффективными, чем колесные; это объясняется большим
коэффициентом сцепления гусеничного хода. Мощность толкача увеличивают с повышением
емкости ковша скрепера. Однако такое увеличение оказывается выгодным лишь до определенного предела мощности, примерно равного 350 кВт. После этого, в случае
необходимости, выгоднее применять два толкача.
Для преодоления больших сопротивлений, связанных с наполнением ковша,
некоторые полуприцепные скреперы
снабжаются
дополнительным двигателем,
действующим на заднюю ось скрепера, поэтому при включении этого двигателя все колеса
скрепера становятся ведущими. Мощность дополнительного двигателя обычно составляет
50—60% от мощности основного двигателя, Сопротивления при наполнениях снижаются
также и
118
в случае скреперов со скребковым конвейером (рис. 71). Недостатком таких конструкций
является наличие дополнительных масс (двигателя или конвейера), что повышает общее
тяговое усилие, при этом операция транспортирования грунта обходится дороже. Поэтому
эти скреперы применяются лишь при небольшой дальности возки грунта — до 500—600 м, а
также при небольших темпах работ, когда содержание трактора-тягача ввиду больших
простоев становится невыгодным.
Некоторые последние конструкции самоходных скреперов со всеми ведущими
колесами выполняются с расчетом возможности работы их поездами. Полуавтоматическое
сцепное устройство таких машин позволяет производить на ходу как сцепку, так и возврат их
к раздельной работе. Сцепка производится в забое, непосредственно перед наполнением
ковша. Сначала наполняется передняя машина, а задняя в это время выполняет функции
толкача. При наполнении грунтом задней машины передняя является тягачом, тем самым
повышается общее тяговое усилие. После наполнения производится расцепка и к месту
выгрузки машины перемещаются раздельно. Аналогично производится работа и скреперных
поездов, состоящих из трех машин. Емкости ковшей скреперов, работающих по такому
принципу, составляют около 20 м3. Недостатком является высокая стоимость и значительная
масса сцепного устройства.
Определение возникающих при работе скреперов сопротивлений следует производить
раздельно для рабочего и транспортного режимов.
Сопротивление перемещению груженого скрепера может быть определено по формуле
WT  (Gc  GГ )( f  i) ,
(II.51)
где Gc — сила тяжести скрепера; GГ — сила тяжести грунта в ковше; f — коэффициент
сопротивления перекатыванию скрепера; i—уклон местности.
Сила тяжести грунта в скрепере
G Г  qk H  0 g ,
где q — геометрическая емкость ковша; kH — коэффициент наполнения, который может
быть принят равным единице;  0 = 1300÷1600 кг/м3 — объемная масса грунта в скрепере.
Сопротивление, возникающее при рабочем режиме, определяется по формуле
Wраб  WT  Wр  WH'  WH''  WП ,
(II.52)
где WT — сопротивление перемещению скрепера как тележки, которое может быть найдено
по формуле (II.51); WH' и WH'' — сопротивление силы тяжести грунта и сопротивление грунта
в ковше, определяемые по формулам (II.11) и (II.12); WП — сопротивление перемещению
призмы волочения, которое может быть рассчитано по формуле (11.16). При этом относительный объем призмы волочения, т. е. ее объем по отношению к полной емкости ковша,
может быть принят равным 0,2—0,3 при несвязных грунтах и 0,1 при связных; W р —
сопротивление грунта резанию, которое определяется по формуле (II.10), причем выбор
значений удельного сопротивления резанию k0 следует производить, руководствуясь
следующими данными (Н/см2):
Несвязные и слабосвязные грунты (пески, супески)……5—7
Связные грунты (суглинки)............................................... 7—10
Высокосвязные грунты (тяжелые суглинки, глины)……10—15
119
Сопротивление наполнению может быть подсчитано на основании опытных данных по
формуле (II.15), т. е. можно предположить, что
WH'  WH''  WH  V .
Значения удельных сопротивлений  (Н/м3) могут быть приняты следующими:
Емкость ковша-скрепера, м3
3
6
 связного грунта ....…….. 11 000 7 500
 несвязного грунта.......... 9 500 6 500
10
15
25
6 500 5 500 4 500
5 500 4 700 3 900
Работа полуприцепного и самоходного скреперов без толкача становится возможной при
условии
PK  W раб
(II.53)
где PK — максимальная окружная сила на шинах ведущих колес скрепера.
Для прицепных скреперов необходимо условие
Tmax  W раб ,
(II.54)
где Tmax — максимальное тяговое усилие на крюке тягача. Если применяется толкач, то должны быть
соблюдены неравенства
( PK  TT )kОД  W раб
И
(Tmax  TT )k ОД  W раб ,
(II.55)
где TT — толкающее усилие толкача; k ОД = 0,85 ÷0,90—коэффициент одновременности работы
толкача и скрепера.
Необходимо также произвести проверку возможности реализации тягового усилия по
сцеплению:
Gсц сц  PK  W раб 

Gсц сц  Tmax  W раб 
(II.56)
где Gсц — сцепной вес самоходного скрепера или тягача;  сц —коэффициент сцепления.
Необходимая мощность (кВт) двигателя самоходного скрепера, рассчитанного на работу без
толкача, определится по формуле
W раб
N дв 
(II.57)
1000
где v — скорость скрепера, м/с;  — к. п. д. передач; Wpa6 — общее сопротивление, возникающее
при рабочем режиме, Н.
Режимы работы и производительность. Копание грунта и наполнение ковша может
осуществляться различными способами: при постоянной толщине стружки (работа тонкой
стружкой), путем неоднократного подъема и опускания ковша (гребенчатая схема работы), быстрым
заглублением ковша на значительную глубину (до 30—40 см) с последующим постепенным его
подъемом (клиновая схема работы). Наиболее рациональным режимом является работа по клиновой
схеме, так как в этом случае в процессе врезания и наполнения механическая работа расходуется
более равномерно и имеющий место в конце процесса «пик» мощности сглаживается, а необходимый для наполнения ковша путь скрепера сокращается по сравнению с работой тонкой
стружкой в 2 раза, а по сравнению с работой по гребенчатой схеме — на 30—40%. При этом способе
работы возможно добиться также и максимального коэффициента наполнения kH  1,0 1,1 .
Часовая производительность (м3/ч) скрепера определяется по формуле
П
60qk H k B
,
k p TЦ
(II.58)
120
где q — геометрическая емкость ковша, м3; kH — 0,8 ÷1,1 — коэффициент наполнения
скрепера; kB — 0,85 ÷0,9 — коэффициент использования рабочего времени; k p —
коэффициент разрыхления грунта; TЦ — продолжительность рабочего цикла, мин,
TЦ 
l1 l 2 l3 l 4
    nt П  2t пов ;
v1 v2 v3 v4
l1 , l 2 , l 3 , l 4 — длины путей заполнения ковша грунтом, транспортирования грунта, разгрузки и
движения порожнего скрепера, м; v1 , v2 , v3 и v4 — соответствующие этим длинам путей скорости
движения скрепера, м/мин; t пов = 0,08÷0,1 —время, необходимое для переключения скорости, мин; п
— число переключений скоростей за время рабочего цикла (обычно п = 4 ÷5); t П — 0,3 — время,
затрачиваемое на один поворот, мин,
Следует иметь в виду, что скорости движения скрепера вследствие буксования всегда ниже
номинальных значений. Максимальные потери скорости на буксование соответствуют процессу
врезания и составляют 20— 30%.
Длина пути наполнения скрепера
l1 
qk H k пот
bhk p
(II.59)
где kпот = 1,2 ÷1,5 — коэффициент, учитывающий потери грунта за счет образования
боковых валиков и призмы волочения; b —
ширина ножа скрепера, м; h — средняя толщина
стружки, м.
Как это следует из формулы, длина пути
наполнения скрепера растет с увеличением
геометрической
емкости
ковша.
Рис.74. Зависимость длины пути
Среднестатистическая зависимость длины пути
наполнения от ёмкости ковша
от емкости ковша, полученная в результате
испытаний существующих моделей машин, представлена графиком (рис. 74). Этот график может
служить при расчетах производительностей проектируемых скреперов.
Земляные работы, выполняемые скреперами, как правило", обходятся дешевле, чем
экскаваторами при перевозке грунта автомобилями-самосвалами. Поэтому там, где это по условиям
работ возможно, всегда применяют скреперы. Это обстоятельство является причиной весьма
большого их распространения. В связи с тем, что скреперы являются массовыми машинами, вопрос
повышения их производительности особенно актуален. При данной геометрической емкости ковша
производительность зависит от коэффициента наполнения и продолжительности цикла. На
коэффициент наполнения оказывает большое влияние форма ковша и то общее тяговое усилие,
которое возможно развить толкачом и тягачом. Поэтому при проектировании скрепера соотношение
между геометрическими размерами ковша должно быть оптимальным. При благоприятных условиях
коэффициент наполнения может быть повышен до kH = 1,2 ÷1,25.
На время рабочего цикла основное влияние оказывает время, затрачиваемое на движение с
грузом, и холостой пробег в забой. Поэтому весьма актуальна возможность повышения скорости
движения скрепера. Скорость зависит от мощности двигателя и состояния того пути, по которому
происходит движение скрепера. При достаточной мощности двигателя скорость часто
ограничивается возникающими из-за неровности пути значительными вертикальными ускорениями.
Для снижения последних осуществляется ряд конструктивных мер и, в частности, производится
121
подрессоривание подвески ведущего моста. Наличие рессорной подвески позволяет снизить
вертикальные ускорения в 2—2,5 раза, поэтому одинаковый уровень вертикальных
ускорений на скреперах с рессорной подвеской возникает при скоростях в 2 раза больших,
чем у скреперов без такой подвески, а это в среднем позволяет повысить производительность
скреперов на 25—30%.
Повышению средней скорости движения скрепера способствует введение в его
конструкцию коробок перемены передач, обеспечивающих плавное их переключение без
разрыва подаваемого крутящего момента. Этому требованию соответствуют коробки передач
с гидротрансформатором и фрикционными муфтами включения.
В практике строительства широко применяются как прицепные, так и полуприцепные
и
Рис.75. Схемы сил действующих на скрепер: а – полуприцепной, б – прицепной.
самоходные скреперы. Выбор типа и модели скрепера производят применительно к
конкретным условиям работ, которые характеризуются главным образом объемом,
дальностью перевозки грунта и рельефом пути. Последний учитывается по суммарному
коэффициенту сопротивления движению скрепера (f+i). При больших величинах этого
коэффициента и значительных дальностях перевозки грунта становятся существенными
потери, связанные с транспортированием имеющихся на скрепере «лишних» масс —
дополнительных двигателей, скребкового конвейера, тяжелых сцепных устройств и т. д.
Поэтому такие машины, как это уже указывалось выше, рентабельны при перевозке грунта
на сравнительно небольшие расстояния. Ввиду небольших скоростей движения прицепные
машины тоже применимы при относительно небольших дальностях возки грунта, где они
особенно рентабельны при значительных сопротивлениях движению.
Силы, действующие на скрепер. Силы, действующие на скрепер, можно разделить
на две группы (рис. 75). Активные, к числу которых принадлежат силы тяжести скрепера с
грунтом GC , сила тяги тягача Т и толкающая сила толкача TT , и реактивные — реакции
грунта, действующие на рабочий орган P01 и P02 , реакции грунта, действующие на колеса:
вертикальные RП и R3 и горизонтальные FA и FB . Силы P01 и P02 должны определяться с
учетом сопротивлений наполнению ковша.
122
Сила тяжести изменяется по мере наполнения ковша грунтом и приобретает
максимальное значение в конце наполнения. Она может быть легко определена как сумма
сил тяжестей отдельных агрегатов и деталей скрепера и грунта.
Сила тяги приобретает максимальное значение в конце наполнения. Максимально
возможные значения силы тяги следует определять по мощности двигателя, установленного
на тягаче, или по условиям сцепления ходового устройства с грунтом [см. формулу (II.37)].
При полуприцепном и самоходном скрепере силу тяги удобно рассматривать как окружную
силу, а в случае прицепного варианта местом ее приложения является дышло. Нужно иметь в
виду что при канатном управлении, во время перевода ковша из рабочего положения в
транспортное, сила тяги передается не только по дышлу, но и по канату подъема ковша.
Исследования, проведенные во ВНИИстройдормаше, показали, что при наборе грунта
ковшом ввиду необходимости включения и выключения муфты сцепления из-за возможной
остановки двигателя при его перегрузках имеют место пиковые нагрузки, которые в 2—2,3
раза превышают номинальное тяговое усилие. Несмотря на то, что такие нагрузки действуют
в течение короткого времени (0,05—0,1) с и общее время их действия не превышает 4% от
времени набора грунта, они должны быть учтены при расчете узлов и деталей скрепера на
прочность. С учетом этих данных и должен определяться коэффициент динамичности
прицепных и полуприцепных скреперов.
Толкающее усилие толкача следует принимать равным его наибольшему значению,
рассчитанному по сцеплению ходового устройства с грунтом, с учетом коэффициента
динамичности ( k Д = 1,5 ÷2,0) по формуле (II.37).
При работе скрепера его нож находится под воздействием давления стружки грунта,
развивающейся от движения этой стружки — силы трения, и горизонтальной и вертикальной
составляющих сопротивления грунта резанию. Все эти силы можно суммировать и
полученную равнодействующую разложить по двум направлениям, получив в результате
горизонтальную составляющую реакции грунта P01 и вертикальную составляющую P02 .
Горизонтальная составляющая может быть определена из условия тягового баланса
скрепера в предположении, что призма волочения отсутствует и, следовательно, на ее
перемещение работа не затрачивается
P01  (T  TT )  WT
(II.60)
где WT — сопротивление от перемещения скрепера как тележки.
Для получения максимального значения Р01, очевидно, следует предположить, что
движение скрепера осуществляется по горизонтальному участку пути, т. е. что i = 0.
Сопротивление перемещению скрепера как тележки найдется по формуле
WT  ( RП  R3 ) f
Вертикальная составляющая P02 в процессе работы скрепера меняется как по
направлению, так и по величине.
При зарезании сила P02 действует вверх, а в конце наполнения и при выглублении
ножа изменяет знак и действует вниз. Определение абсолютного значения этой силы удобно
производить, пользуясь зависимостью
P02    P01 .
(II.62)
При резании и наполнении ковша  = 0,2, а при выглублениях  = 0,4÷0,5,
123
Действующие на передние и задние колеса вертикальные реакции грунта RП и R3
должны определяться с учетом действия силы P02 из уравнений моментов всех сил
относительно переднего и заднего колес и из уравнения, полученного в результате проекции
всех сил на вертикальную ось. Горизонтальные реакции FА и FB представляют собой
сопротивления передвижению переднего и заднего колес и могут быть определены по
формулам:
FA  RП f ; FB  R3 f
Выбор расчетных положений. На основании приведенной, выше схемы действия сил и
анализа работы скрепера могут быть выбраны положения для расчета основных узлов на
прочность.
Активные силы, т. е. тяговое и толкающее усилия тягача и толкача, а также сила
тяжести приобретают наибольшее значение в конце заполнения ковша. В этом положении
будут наибольшими и реакции грунта, действующие на рабочий орган. Поэтому конец
заполнения ковша будет являться расчетным положением для проверки на прочность рамы
скрепера,
деталей
ковша,
сцепного
устройства, хобота и ходовой части. При
этом силу P02 следует полагать действующей
на ковш сверху вниз, как показано на рис.
75.
Прочность этих агрегатов нужно также
проверить, предположив внезапный наезд
задних колес груженого скрепера на
непреодолимое
препятствие.
В
этом
расчетном положении силу тяги следует
определить по условию сцепления ходового
устройства машины с грунтом, с учетом
Рис.76. Схема для определения усилий в
механизме подъёма
коэффициента динамичности k д  2,0 .
Расчет механизма подъема ковша целесообразно проводить, предполагая начало
выглубления ковша, т. е. подъем его в транспортное положение. В этом расчетном
положении будут действовать те же силы, что и в конце наполнения. При расчете
предполагают, что сила тяжести ковша, а также и вертикальная реакция P02 полностью
воспринимаются подъемным канатом или гидроцилиндром подъема ковша (см. рис. 70).
Действующее по канату или штоку гидроцилиндра подъемное усилие S П может быть
определено согласно расчетной схеме (рис. 76). Здесь GП — вес передка, a R Ш и TШ —
приложенные к шкворню вертикальное и горизонтальное усилия для случаев прицепного и
полуприцепного скреперов. В случае полуприцепного скрепера действует еще момент M Ш
(см. рис. 75, а), который может быть определен по формуле
M Ш  GT l1  FА hШ  RП l2 _ ThШ
После определения действующих на шкворень усилий R Ш и TШ —
(см. рис. 75)
усилие S П можно найти, рассматривая равновесие системы относительно точки О (рис. 76).
При подъеме заслонка увлекает за собой часть грунта, который затем высыпается.
Поэтому усилие подъема заслонки (рис. 77, а) расходуется на преодоление сил тяжести
заслонки G3 и грунта Gгр , а также силы трения грунта о грунт, которая развивается по
плоскости раздела
124
объема грунта, поднимающегося вместе с заслонкой, и грунта, остающегося в ковше.
Однако эта сила незначительна и потому ею можно пренебречь.
Сила тяжести грунта в заслонке приближенно, может быть определена по формуле
Gгр  k K HB 0 g ,
где В — ширина заслонки;  0 — объемная масса грунта; k K = 0,8 — коэффициент,
учитывающий конфигурацию заслонки.
Далее, из рассмотрения равновесия системы относительно оси поворота заслонки О
определяется усилие подъема S П , которое
должно
развиваться
канатным
или
гидравлическим механизмом. В скрепере с
полупринудительной разгрузкой усилие S P ,
необходимое для опрокидывания ковша,
приобретает максимальное значение в начале
процесса. Его можно найти из уравнения
моментов
сил
относительно
оси
опрокидывания O1 (рис. 77, б). В уравнение
моментов кроме усилия S P входят: сила
тяжести днища G Д и сила тяжести грунта G гр ,
которая определяется в предположении
полного заполнения ковша.
В случае скрепера с принудительной
разгрузкой
ковша
необходимое
для
выталкивания грунта усилие Р расходуется на
Рис.77. Схема для определения усилий,
преодоление сил трения грунта о днище ковша
развивающихся
при подъёме заслонки (а) и
и на преодоление сопротивления качению
разгрузке ковша (б и в)
роликов задней заслонки по днищу, и потому
оно приобретает максимальное значение в начале процесса, Очевидно, что (рис. 77, в)
P  G гр f 1  Gст f p
где Gст — сила тяжести задней стенки; f p = 0,10÷0,15—коэффициент сопротивления
движению роликов.
При свободной разгрузке ковша сила, необходимая для его подъема, определяется из
уравнения моментов относительно сил опрокидывания.
При расчетах производится проверка на прочность таких основных частей скрепера,
как рама, ковш, заслонка, задняя стенка, ходовое и прицепное устройства. Эти детали
рассчитываются на действия найденных выше усилий обычными методами.
§ 13. АВТОГРЕЙДЕРЫ
Автогрейдеры относятся к числу наиболее распространенных дорожных машин.
Они применяются как при строительстве дорог, так и- при их содержании. Автогрейдерами
можно производить профилирование земляного полотна, планировку насыпей, выемок и
откосов, устройство корыт, отрывку и очистку кюветов и канав, перемешивание грунта или
гравийных материалов с такими вяжущими, как жидкие битумы и
125
цемент, очистку дорог от снега, планировку дорог и площадок и т. п. Автогрейдеры
применяются не только на дорожных работах, но и при строительстве аэродромов.
Автогрейдеры являются самоходными машинами. Они появились сравнительно
недавно. До этого выпускались только грейдеры, которые имеют сходную с автогрейдерами
общую конструктивную схему. Грейдеры являются прицепными и потому значительно
дешевле автогрейдеров. Для их передвижения, как правило, используются гусеничные
тракторы. Они широко используются для профилирования и содержания сельскохозяйственных дорог.
Общая конструктивная схема автогрейдера представлена на рис. 78. Рабочим органом
машины является отвал, который в нижней части снабжен ножом. Кроме отвала автогрейдер
имеет еще кирковщик, который применяется для рыхления старого дорожного покрытия или
грунта. Для возможности выполнения автогрейдером различных работ подвеска отвала
обеспечивает самые разнообразные его установки как в вертикальной, так и в
горизонтальной плоскости. Обеспечивается также его вынос в стороны. Изменение
положения отвала в горизонтальной плоскости осуществляется вращением поворотного
круга вокруг его вертикальной оси, а в вертикальной плоскости — подъемом или опусканием
правого или левого краев тяговой рамы. Для выноса отвала в стороны тяговая рама, к
которой подвешен поворотный круг, специальным механизмом поворачивается в
горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси крепления ее передней точки. Передние
колеса автогрейдера могут наклоняться относительно передней оси, что облегчает работу
машины на косогорах. Задние мосты автогрейдера подвешены к основной раме посредством
опорных балансиров и реактивных штанг. Передний мост подвешен к раме посредством
шкворня. Наличие последнего и балансиров позволяет автогрейдеру приспосабливаться к
неровностям пути при его движении. Скорость движения машины может изменяться от 2—3
до 40—50 км/ч.
Основным видом работ, для которых предназначен автогрейдер, является
профилирование земляного полотна. При этом земляное полотно возводится из грунта,
вынутого из боковых кюветов. Такое профилирование осуществляется последовательными
проходами автогрейдера по каждой стороне дороги. Рабочий процесс машины состоит из
вырезания грунта из кювета и перемещения его к оси дороги. Эти рабочие операции ведутся
при различной установке ножа во время следующих друг за другом проходов машины.
При зарезании угол установки ножа в плане (угол захвата ср (см. рис. 44) зависит от
трудности разработки грунта. Обычно  = 30÷60°, Отвал наклоняется в вертикальной
плоскости таким образом, чтобы тот край ножа, которым производится зарезание грунта, был
ниже. Это обеспечивает подъем вырезанного грунта из кювета. При перемещении грунта
угол ср увеличивается, что способствует передвижению грунта к оси дороги на большее
расстояние. Для повышения этого расстояния отвалы снабжаются сменными удлинителями.
Для планировки внешних откосов кюветов машины снабжаются специальными откосниками,
прибалчиваемыми к отвалам. Иногда автогрейдеры снабжаются сменным навесным
оборудованием, после установки которого машина может работать как грейдер-элеватор и
снегоочиститель, бульдозер, многоножевой смеситель, роторный снегоочиститель и т. п.
Некоторые виды этого оборудования (бульдозер и снегоочиститель) могут быть установлены
дополнительно, т, е. без снятия отвала. Остальные виды монтируются взамен отвала.
Автогрейдеры классифицируют по их массе и мощности двигателя (табл. 10).
Классификация по массе в большей степени характеризует
126
Рис. 78. Конструктивная схема автогрейдера:
1— рыхлитель; 2, 5 —гидроцилиндры; 3, 12 — карданные валы; 4 — основная рама; 6
— вал рулевого колеса; 7 — кабина; 8 — двигатель; 9— радиатор; 10 - задний мост;
11— сцепление; 13— коробка перемены передач; 14 — отвал; 15 - поворотный
круг; 16 —рама
поворотного круга; 17 - цапфа переднего моста; 18 — средний мост
127
эксплуатационные качества этих машин, так как между массой и возможностью реализации
по условиям сцепления тягового усилия существует прямая связь.
Легкие автогрейдеры применяются для содержания дорог и их текущего ремонта;
средние машины применяются при ремонте и строительстве дорог при грунтах до III
категории включительно. Тяжелые типы автогрейдеров предназначены для больших объемов
работ и могут работать в тяжелых грунтовых условиях. Наибольшее распространение
получают тяжелые автогрейдеры.
Характерным параметром автогрейдеров является длина отвала, которая характеризует
эксплуатационные возможности машины и, в частности
эффективность использования ее на
Таблица 10. Классификация автогрейдеров
профилированных работах.
Тип
Класс
Масса т Мощность
У современных автогрейдеров длидвигателя
на отвала без удлинителя обычно
кВт
находится в пределах 3000— 4300
Легкий
I
7—9
45—55
мм.
Средний
II
10—12 65—75
По системе управления автоТяжелый
III
13—15 120—130
грейдеры разделяют на механиОсобо тяжелый
IV—V
17—23 270—320
ческие, гидравлические, комбинированные (механико-гидравлические, пневмоэлектрические и т. п).
Наибольшее распространение получили машины с гидравлической системой управления.
Автогрейдеры могут быть с двумя или тремя колесными осями. Ходовым оборудованием,
как правило, служит пневмоколесный ход. Для повышения проходимости некоторые авто
грейдеры снабжаются централизованным регулированием давления воздуха в шинах. При
слабых или очень рыхлых грунтах давление воздуха в шинах снижается, а при движении по
твердому дорожному покрытию, во избежание большого износа шин, повышается.
Отдельные модели машин имеют комбинированное ходовое оборудование, при котором
ведущие оси снабжаются легкой гусеничной лентой.
По управлению ходовыми колесами автогрейдеры разделяются на машины с одной
передней управляемой осью и со всеми управляемыми осями.
Автогрейдеры характеризуются так называемой колесной формулой, которую
принимают в следующем виде:
А х Б х В,
где А — число осей с управляемыми колесами; Б — число ведущих осей; В — общее число
осей.
Так, например, колесная формула трехосного автогрейдера, имеющего одну переднюю
управляемую ось и две задних ведущих оси, будет 1х2хЗ.Эти автогрейдеры обладают более
или менее постоянным сцепным весом и хорошей устойчивостью и потому получили
наибольшее распространение. Часто также применяются автогрейдеры с колесной формулой
2х2х2, которые имеют высокую маневренность и просты по конструкции. Этот тип
автогрейдера обладает наибольшим относительным сцепным весом, так как он равен весу
машины.
В качестве двигателя на автогрейдер устанавливаются обычно тракторные двигатели
внутреннего сгорания. Силовая передача включает в себя многоступенчатую коробку
перемены передач, раздаточную коробки и демультипликатор. Этими агрегатами
обеспечивается несколько рабочих
128
и транспортных скоростей. Имеются автогрейдеры с гидромеханическими трансмиссиями, в
том числе машины с гидродвигателями, вмонтированными в ведущие колеса.
Большим недостатком является разрыв в передаче крутящего момента, который имеет место
при переключении скоростей. Возобновление в передаче крутящего момента после такого разрыва
вызывает большие динамические нагрузки. Во избежание этого некоторые конструкции автогрейдеров имеют планетарные коробки передач с многодисковыми гидромуфтами, позволяющими
производить переключение скоростей под нагрузкой.
Основные рамы автогрейдеров в настоящее время выполняют преимущественно в виде
однобалочной сварной конструкции с расположением балки на продольной оси машины. Это дает
возможность повысить углы установки отвала ножа в вертикальной плоскости и облегчает его вынос
в стороны. Иногда, в случае трехосной конструкции, рама выполняется шарнирной. Шарнир
располагается между первой и второй осью — вблизи последней, и позволяет получать «изломы»
рамы в горизонтальной плоскости на угол до 15°. При таком изломе передние колеса сдвигаются
относительно задних, что повышает маневренность и устойчивость машины в горизонтальной
плоскости. Шарнир позволяет также отделять переднюю часть машины от задней и использовать
последнюю в качестве тягача.
Задние мосты автогрейдера устраиваются как без дифференциала, так и с
дифференциалом,
допускающим
его
блокирование.
Последняя
конструкция
предпочтительнее, так как снижает буксование машины при прохождении криволинейных
участков пути, что особенно важно при ее транспортных перемещениях.
Типажом предусмотрено наличие 5 классов автогрейдеров (табл. 10), для которых
рекомендовано гидравлическое управление рабочими органами. Самый тяжелый тип
автогрейдера имеет колесную формулу 3хЗхЗ.
Основные параметры автогрейдера. Кроме главного параметра — общей массы машины — к
числу основных параметров относится сцепной вес Gсц , мощность двигателя N, сила тяги Т,
колесная схема, рабочие и транспортные скорости движения, а также то максимальное
давление P2 , которое может оказать нож на грунт при передаче на него части силы тяжести
машины. Общая масса автогрейдера связана со сцепным весом следующим соотношением:
Gсц  Mg  G
(II.63)
где G — сила тяжести машины; g — ускорение силы тяжести;  — коэффициент; при
колесных формулах 3x3x3 и 2х2х2  = 1, а при колесной формуле 1х2х3  = 0,70÷0,75.
Максимальная свободная сила тяги автогрейдера может быть определена по сцепному
весу
T  Gсц  сц или T  сц G
(II.63)
Ниже приведены значения коэффициентов сцепления  сц , полученные в результате
испытаний автогрейдеров на различных поверхностях.
Растительный покров...... ……………….0,6—0,8
Свежесрезанный грунт ..... …………….0,6—0,9
Рыхлый грунт........................................... .0,8—0,9
Сухое асфальтобетонное покрытие…… .0,6—0,8
Свободное тяговое усилие может быть использовано для срезания грунта. Тогда
должно иметь место следующее уравнение:
Fk0  сц G ,
(II.65)
129
где F — сила стружки; k0 — удельное сопротивление грунта копанию; если учесть не только резание,
но и перемещение грунта как перед отвалом, так и вдоль него, то можно полагать, что k0 = 200÷300
кН/м 2
Уравнение (II.65) позволяет определить то сечение стружки, которое может иметь место при
данном весе машины.
При профилировочных работах ввиду больших площадей сечений кюветов последние
выполняются за п проходов. Если FK —общая площадь поперечного сечения кювета, то
Fn  mFK
(II.66)
где т = 1,3 — коэффициент, учитывающий неравномерность в сечении стружки при отдельных
проходах автогрейдера.
Тогда из уравнений (II.65) и (II.66) можно определить необходимую общую силу тяжести
машины
mFK k 0
G
(II.67)
сц n
Число проходов по вырезанию стружки обычно составляет п=5÷6. Развивающаяся
на
ведущих колесах общая мощность
N = Nn + Nf + N6,
(II.68)
где Nn — мощность, расходуемая на вырезание грунта (полезная мощность); Nf — мощность,
расходуемая на передвижение автогрейдера как тележки; N6 — мощность, расходуемая на
буксование. Полезная мощность (кВт)
 сц Gv p
(II.69)
Nn 
3,6
где G — сила тяжести автогрейдера, v p — фактическая рабочая скорость автогрейдера, км/ч.
Мощность (кВт), расходуемая на передвижение автогрейдера как
тележки, определяется по формуле
Nf 
fGv p
3,6
(II.70)
Коэффициент сопротивления движению автогрейдера можно полагать f=0,7÷0,10.
Мощность (кВт), расходуемая на буксование с учетом формулы (I.78), определяется по формуле
N б  ( сц  f )
 K Gv p
1   K 3,6
(II.71)
Необходимая мощность двигателя найдется по формуле
NД 
N
,
 тр k m
(II.72)
где  тр — к. п. д. трансмиссии; km — 0,9 — коэффициент снижения мощности двигателя ввиду
неустановившейся нагрузки.
Выбранную таким образом мощность двигателя необходимо проверить по транспортному
режиму. Для этого лучше всего определить ту максимальную транспортную скорость (км/ч),
которую может развить автогрейдер, двигатель которого имеет мощность N Д
vmax 
3,6 N Д тр
fG
(II.73)
Здесь f = 0,04 ÷0,05 следует принимать соответствующим движению машины по дороге с
твердым покрытием,
130
Если рассчитанная таким образом скорость оказывается недостаточной, что бывает
весьма редко, то по заданной максимальной транспортной скорости vmax , пользуясь
выражением (II.73), находят необходимую мощность двигателя Nn, которую в дальнейшем и
принимают.
К основным параметрам отвала относится его длина L и высота В. Длина отвала
должна позволять вырезать из кювета стружку грунта и перемещать ее в сторону на такое
расстояние, при котором станет невозможным самопроизвольное ссыпание грунта назад в
кювет. Высота отвала должна обеспечивать возможность формирования валика грунта и
перемещения его перед отвалом.
Многолетней практикой применения автогрейдеров, а до них — грейдеров
выработаны такие параметры отвалов, которые обеспечивают выполнение этих условий
(табл. 11).
Таблица 11. Основные размеры отвалов
Тип
Примерная
Высота
автогрейдера
длина отвала отвала в мм
L, мм
Особо тяжелый 3600—4300
600—700
Тяжелый
3400—3700
500—600
Средний
3000—3400
500
Рис.79. Схема отвала автогрейдера
Выше уже отмечалось, что отвалы автогрейдеров изготовляются с постоянным
радиусом кривизны r (рис, 79), который определяется по следующей формуле:
r
B
,
cos  cos 
(II.74)
где  — угол резания, который в зависимости от выполняемых автогрейдером работ
меняется в пределах 30—80°. В данном случае он может быть принят равным 30—45°.
При таком радиусе кривизны исключается пересыпание грунта через край отвала и
обеспечивается формирование призмы грунта перед ним. Изменение угла резания
производится вручную через интервалы, примерно равные 5°. Угол опрокидывания
 составляет 65—70°. Должно иметь место следующее равенство:
     
Угол захвата устанавливается в зависимости от выполняемой операции и обычно составляет 30—45°
при вырезании грунта, 60—75° — при перемещении грунта в сторону и 90° — при планировочных работах.
Чем тяжелее грунт, тем меньше должен быть угол захвата при вырезании.
Угол наклона ножа в вертикальной плоскости (угол зарезания) при резании обычно находится в пределах 0—
30°. При планировке вертикальных откосов, когда нож выносится в стороны, за пределы рамы машины, угол
зарезания может достигать 90°.
Ширина колеи В0 и база машины L0 (рис. 80) должны выбираться таким образом, чтобы обеспечить
свободное маневрирование отвалом. Так, расстояние А от шарнира тяговой рамы до оси вращения
поворотного круга определяется из условия полноповоротности отвала. Поэтому минимальный размер базы
автогрейдера будет равен
L0 min  D  L2  B02  2e ,
(II.75)
где е = 50 мм минимальный размер между шиной и отвалом.
131
Минимальная, база трехосного автогрейдера
L'0  L0 
D 

2 2
(II.76)
где  — зазор между колесами.
У трехосных машин обычно L0 = (1,4 ÷1,7) L, а у двухосных L0=(1,3÷1,5) L.
Вырезанный грунт не должен попадать под задние колеса машины, поэтому ширина
колеи В0 должна быть увязана с длиной ножа.
Если автогрейдер имеет одну управляемую ось, то его радиус поворота
R
L0
sin 
(II.77)
где  — угол поворота внешнего управляемого колеса.
Рис.80 Геометрические параметры
автогрейдера
Тяговый расчет. Ранее был дан метод расчета необходимой мощности двигателя по
предельно возможной силе тяги машины, которая зависит от сцепления силы тяжести.
Необходимую мощность двигателя можно также найти по параметрам отвала машины и
характеристике ее рабочего процесса.
При работе автогрейдера по вырезанию и одновременному перемещению грунта
необходимая сила тяги найдется по формуле
W  WT  Wi  W p  Wпр  WB  W0
где WT — сопротивление перемещению автогрейдера как тележки, которое может быть найдено по
формуле (II.31); Wi — сопротивление сил инерции при трогании с места, определяемое по формуле
(I.74); Wp —сопротивление грунта резанию; Wпр — сопротивление перемещению призмы волочения,
которое находится по формуле (II.7); WB — сопротивление от перемещения грунта вверх по отвалу,
которое рассчитывается по формуле (II.4); W0 — сопротивление от перемещения грунта вдоль отвала
(в сторону), которое может быть найдено по формуле (II,8).
132
При зарезании вырезается стружка треугольного сечения, поэтому сопротивление
резанию находится по формуле
W p  k0
hmax l
2 ,
(II.78)
где hmax — максимальная толщина стружки; l — длина заглубленной в грунт части ножа, м.
Удельное сопротивление грунта резанию здесь может быть принято k0 = (150÷200)
2
кН/м .
При планировочных работах
W p  k 0 Lh ,
(II.79)
где h — глубина резания.
Можно полагать, что k0 = (100÷200) кН/м2.
Необходимо, чтобы сила тяги на ведущих колесах превышала общее сопротивление, т.
е.
Pk  W .
Для реализации этого тягового усилия должно соблюдаться неравенство Pk   сц Gсц
Если автогрейдер снабжается таким сменным оборудованием, как грейдер-элеватор,
снегоочиститель и т. п., то путем поверочного расчета необходимо убедиться в возможности
работы этого оборудования. Методы определения тех сопротивлений, которые возникают
при работе этих видов оборудования, даны в соответствующих разделах книги.
Производительность автогрейдеров. Производительность автогрейдера выражется в
объеме вырезанного и перемещенного грунта за единицу времени в метрах
отпрофилированной дороги или в квадратных метрах спланированной площади, если
автогрейдер используется на профилированных работах.
Часовая производительность по объему (м3/ч) вырезанного грунта может быть выражена
зависимостью
П
Vk B
t ,
(II.80)
где V — объем призмы грунта, вырезанной и перемещенной отвалом за один проход, м3; kB =
0,8÷0,9 — коэффициент использования времени; t — время рабочего цикла, ч.
Объем призмы грунта может быть рассчитан по сечению вырезаемой стружки и длине
обрабатываемого участка. Время рабочего цикла определяется по формуле
t
где
t1
1
(t1  t 2  t3  t 4 )
60
— время прохода по участку, которое определяется по его длине и скорости движения
машины, мин; t2 и t3 — время подъема и опускания отвала, мин; t 4 — продолжительность поворота
автогрейдера в конце участка, включая время, затрачиваемое на переключение скоростей, мин.
Автогрейдер может работать так называемым челночным способом, т. е. без поворотов
машины. При таком способе работы машина в обратном направлении движется задним ходом, а
отвал поворачивается на 180°. Такая работа машины выгодна на коротких участках, где велико относительное значение времени, затрачиваемого на поворот.
Производительность (км/ч) в километрах отпрофилированной дороги определяется по
формуле
П
Lk B
t ,
(II.81)
133
где L — длина участка, км; t — время, используемое для его профили рования, ч,
t
Ln t4
 (n  1)
vcp 60
,
где п=12÷16 — необходимое для профилирования дороги число проходов; vcp средняя
скорость движения автогрейдеров. При проходах, где производится резание грунта, обычно
vcp
= 3÷4. км/ч, а при проходах, на которых осуществляется перемещение грунта,
vcp
= 6÷8
vcp = 4÷6 км/ч. Скорости заднего хода обычно находятся в пределах
км/ч, поэтому
6—13 км/ч, а передние транспортные скорости равны 25—45 км/ч.
Производительность автогрейдера по кирковке определяется тем же методом, что и
производительность рыхлителей [см. формулы (II.20), (II.21)].
Рис.81. Силы действующие на
автогрейдер
Повысить производительность автогрейдеров возможно путем сокращения времени рабочего
цикла и увеличения объема вырезаемого грунта. Сокращение времени цикла связано с повышением
скоростей движения машины, а увеличить объем грунта можно путем изменения в большую сторону
сечения стружки. Оба метода ведут к повышению требуемой мощности двигателя, а следовательно,
и к увеличению необходимого сцепного и общего веса машины.
Поэтому в настоящее время имеет место тенденция к переходу на строительство тяжелых и
особо тяжелых машин. Применение гидравлического управления позволяет передавать на отвал
значительную часть веса машины, что способствует заглублению отвала в грунт. При проектировании механизмов управления в настоящее время стремятся к повышению скоростей подъема и
поворота отвала и выноса его в сторону, что в конечном
расчете также ведет к повышению производительности. При этом механизмы управления отвалом
устраиваются таким образом, чтобы обеспечить максимальную его подвижность, и вынос в сторону
устраивается так, чтобы возможно было срезать грунт с вертикальных забоев. Это
увеличивает универсальность машины и расширяет возможные области ее применения.
134
Общая схема сил, действующих на автогрейдер. На рис. 81 предвлена схема сил, действующих в процессе резания грунта. Автогрейдер устроен с применением
самой распространенной колесной формулы: 1х2х3 Чействующие на автогрейдер силы можно
разделить на активные реактивные.
К активным силам относятся сила тяжести G и окружная сила на ущих колесах Рк; к
реактивным—вертикальные реакции на колесах.
R1
и
R2 ,
силы сопротивления грунта
перекатыванию колес F1 и F2, реакция грунта, действующая на отвал N, которая может быть
разложена горизонтальную Р01 и вертикальную Р02 составляющие, а также боковые реакции,
направленные вдоль осей автогрейдера S1 и S2. Последние азуются за счет сил сцепления,
развивающихся на поверхностях кон-тов колес с грунтом.
Здесь допускается, что реакция грунта N направлена перпендикулярно отвалу, а реакции R1
и R2 на правых и левых колесах равны и фавлены по их вертикальным осям. Кроме того,
допускается, что кции R2 на всех ведущих колесах одинаковы.
Известными являются силы Рк и G, а неизвестными —
R1 ;
F1 ; F2 ; P01
R2;
; Р02 и
S 2 .Определить эти неизвестные силы можно по уравнениям
равновесия:
X  0;
Y  0 ;
Z  0;
M y  0
F1  2F2  P01 sin   2PK  0
(II.82)
S1  2S 2  P01 cos  0
(II.83)
R1  2R2  G  P02  0
(II.84)
l
L
cos  )  2 R2 ( L0  0 )  0 ;
2
2
l
M Z  0 ; P01l 2  2S 2 ( L0  0 )  0
2
Gl1  P02 ( A 

(II.85)
(II.86)
при этом должны быть учтены следующие соотношения между силами:
F1  R1 f ; F2  R2 f .
P02  P01ctg ;
(II.87)
По реакциям R1 и R2 можно подобрать тип и размер шин.
Этим расчетом устанавливается также распределение общей нагрузки эвтогрейдера в
рабочем положении по отдельным осям. У современных машин в нерабочем положении
имеет место следующее распределение сил гяжести по осям: на переднюю ось приходится
30—35% общей нагрузки, i на задние оси 65—70%. У двухосной машины нагрузка на
переднюю ось юстигает 40—45%.
Сила Р01 стремится повернуть машину вокруг центра тяжести. Такому повороту
препятствуют силы сцепления S1 и S2, поэтому должна быть проверена устойчивость
машины в горизонтальной плоскости во время работы. При таком расчете следует принять
максимальное значение Р01 соторое может быть определено из следующего уравнения:
P01  (Gсц  P02 ) сц
(II.88)
Устойчивость машины определится неравенством
P01l3  S1l1  S 2 (2l4  l0 )
(II.89)
Здесь горизонтальные силы S1 и S 2 должны быть определены по условиям сцепления:
S1  R1 сц и S 2  R2 сц .
(II.90)
135
Основные положения расчета автогрейдера на прочность. Для выявления сил,
действующих на автогрейдер, следует рассмотреть два расчетных положения. Первое
положение соответствует работе автогрейдера по резанию грунта. В отличие от схемы на
рис. 81 предполагается, что отвал машины настолько заглублен в грунт, что ее передняя ось
вывешена, т. е. что R1 = 0, а к задним колесам приложено максимальное окружное усилие,
которое может быть определено по условию их сцепления. Определение действующих на
автогрейдер при этом расчетном положении сил производится аналогично тому, как это было
сделано выше при рассмотрении расчетной схемы.
Второе расчетное положение предполагает, что автогрейдер используется на
планировочных работах, т. е. движется на повышенной скорости (10—12 км/ч), и при этом
под его отвал попадает непреодолимое препятствие. При выявлении развивающихся
динамических нагрузок предполагается, что масса препятствия по сравнению с массой
автогрейдера велика. При этих условиях дополнительно приложенное к центру тяжести машины инерционное усилие
Pj  v cm ,
(II.91)
где v — скорость автогрейдера в момент встречи с препятствием; т — масса автогрейдера; с
— приведенная жесткость автогрейдера, которая может быть принята в пределах (6—20)
кН/см. Меньшее значение относится к машинам массой в 8 т, а большее — к автогрейдерам
массой 18 т.
С учетом силы Pj надо также рссмотреть общую расчетную схему, аналогичную рис, 81, и в
результате найти другие силы, действующие на машину,
Для расчета тяговой рамы во втором расчетном положении определяются усилия,
действующие в переднем шаровом шарнире (точка O2). Эти усилия находятся из условий
равновесия рамы. При этом можно предположить, что тяги подвески заднего конца рамы к
основной раме машины находятся в одной вертикальной плоскости. Тяговая рама рассчитывается на разрыв.
Расчет отвала производится во втором расчетном положении. При этом
предполагается, что наезд на непреодолимое препятствие происходит как краем отвала, так и
его серединой. Расчет отвала автогрейдера аналогичен расчету отвала бульдозера.
Расчет основной рамы машины производится при двух расчетных положениях. Здесь
также необходимо найти усилия, действующие в шаровом шарнире O2, а также силы,
передающиеся на раму через тяги подвески тяговой рамы. Следует также учесть и вес рамы.
Расчет механизмов управления. Для того чтобы обеспечить бесперебойную работу
машины, необходимо иметь достаточные скорости управления различными рабочими
органами автогрейдера. Так, например, при перегрузке двигателя, когда есть опасность его
остановки, нужно быстро разгрузить отвал путем подъема его из грунта. Быстрое управление
отвалом бывает также необходимым при планировочных работах, когда требуется менять его
установку в соответствии с рельефом местности. Скорости движения различных рабочих
органов можно выбирать, пользуясь данными табл. 12.
Подъем и опускание отвала производится кривошипным механизмом, реечным
механизмом или штоком гидравлического цилиндра. При механизированном управлении
наибольшее распространение получил кривошипный механизм, несмотря на то, что здесь
отвал поднимается с переменной скоростью.
136
При расчете механизма подъема определяют подъемное усилие S П , димую для выполнения этой
операции мощность и производят деталей этого механизма на прочность, съемное усилие рассчитывается при
выглублении отвала, опу-го в грунт одним концом. Предполагается, что угол захвата равен ja отвал действуют
силы Р01 и Р02. Сила Р01 находится из рассмотренной расчетной схемы на рис. 82. Тогда согласно схеме этого
рисунка
SП 
Gт . р
Gт. р l1  P02l2  P01l4
(II.92)
l3
- сила тяжести тяговой рамы с отвалом; здесь можно принять
P02 = 0,5Р01.
Расчет деталей подъемного механизма на прочность производится применительно к случаю
вывешивания передней оси автогрейдера на отвале упором последнего в твердый грунт.
Подъем
отвала
8—18 9—20
Опускание
отвала
6—8
Боковой
вынос
Наклон
колес
8—13 6—15
град/с
kД
7—9
см/с
Подъем
кирковщика
динамичности
гидравлическом
механическом
Таблица 12. Средние скорости
Движения механизмов автогрейдера
Скорости при
управлении
Наименован Размерие операции ность
2—5
1—4
3—5
2—4
Рис.82. Расчётная схема для определения училия
отвала автогрейдера
Поворот отвала в горизонтальной плоскости
осуществляется зубчатым редуктором или гидравлическим приводом. Последний может быть выполнен в виде
гидродвигателя. В связи с тем, что поворот отвала
производится лишь при полном его выглублении из
грунта, затрачиваемая на это мощность незначительна,
поэтому может не рассчитываться. При расчете деталей
поворотного механизма на прочность следует полагать,
что отвал вынесен в сторону и к его концу приложена
максимально возможная сила Р01, которая рассчитывается
по формуле (11.88).Тогда, с учетом коэффициента
момент на поворотном круге определится по формуле
M П . К  k Д P01l ,
(II.93)
где l — расстояние от конца отвала до центра поворотного круга.
При работе автогрейдера на косогоре, например на откосе кювета, производится наклон передних
(ведомых) колес, который придает машине большую устойчивость (рис.83,б). Механизм наклона позволяет
изменять угол наклона колес к нормали  в пределах 0—30°.
При отсутствии наклона (рис. 83, а) имеет место составляющая Q, которая складывается с боковой
силой S = S1 . Последняя развивается за счет резания грунта. Поэтому общая сила, которая заносит переднюю
ось машины вниз по косогору,
GП
sin   S1 ,
2
где GП — нагрузка на переднюю ось с учетом силы тяжести последней.
QS 
(II.94)
137
Если колеса наклонены, то Q = 0, и потому положение машины на косогоре становится более
устойчивым.
Наклон колес осуществляется за счет действия силы тяжести машины, а выведение колес из
наклонного положения в вертикальное производится за счет работы двигателя.
При выпрямлении колес центр приложения силы тяжести передней оси поднимается на
величину h (рис. 83, в)
D
h  (1  cos  max ) ,
(II.95)
2
где D — диаметр колеса, м;
 max =30° — максимальный угол наклона колеса.
Рис.83. Схема сил, действующих
на переднюю ось автогрейдера
на косогоре
Затрачиваемая для выпрямления колес работа найдется по формуле
G D
A  GП h  П (1  cos  max ) ,
2
и необходимая мощность (кВт) определится по формуле
GП D
N
(1  cos  max ) ,
(II.96)
2  10 3 t П
где t П — время выпрямления колес, рассчитывается по данным табл. 12, с;  — к. п. д. механизма
подъема.
По полученной таким образом мощности N и выбранному t П производится расчет механизма
подъема колес на прочность. Этот механизм может быть выполнен в виде зубчатой передачи
(ведущее зубчатое колесо и зубчатый сегмент) или приводится в действие гидравлическим
цилиндром.
Расчет ходового оборудования. На ходовое устройство автогрейдера действуют усилия,
являющиеся следствием как силы тяжести машины, так и сил, действующих со стороны грунта на
отвал (рис. 81).
Тележка заднего моста в обычных условиях находится под воздействием реакции R2 и
боковых сил S2. Кроме того, оси находятся под воздействием крутящих моментов M 1 и М2. Ранее
для упрощения было принято, что реакции со стороны грунта для передних и задних колес тележки
одинаковы. Однако в действительности, ввиду действия подводимого от двигателя крутящего
момента, реакции не одинаковы.
Балансир представляет собой систему зубчатых передач, где вращение ходовым колесом
передается от центральной шестерни через промежуточные зубчатые колеса (рис. 84).
138
'
"
Реакции R2 и R2 находятся из уравнения равновесия системы относительно оси
подвески балансира с учетом того, что
R2'  R2"  GT ,
(II.97)
где GT — часть действующей на тележку силы тяжести машины
MK 
( R2'  R2" ) сц rc
i
(II.98)
где i — передаточное число от ведущего вала балансира к осям ведущих колес; т) — к. п. д.
балансирной передачи;
 сц  f

1 l 
R2'  GT 0,5  rc
(1   ) ;
b
i rc 

 сц  f

1 l 
R2''  GT 0,5  rc
(1   )
b
i rc 

(II.99)
(II.100)
Здесь l — расстояние от оси подвески балансира до
горизонтальной оси колес.
При
больших
крутящих
моментах
''
'
отношение R2 / R2 может
достигать 1,8—2.
Такое распределение нагрузок по осям тележки
должно быть учтено при расчете корпуса балансира
и проверке на прочность осей ведущих колес.
При проверке деталей балансира и тележки
на
прочность
необходимо
также
учесть
возможность
случайного
перераспределения
нагрузок на колеса в транспортном положении
Рис.84. Схема балансира
машины, когда ввиду особенностей рельефа пути
контакт отдельных колес с грунтом может нарушиться. Здесь следует рассмотреть все
варианты возможного отрыва от поверхности грунта как отдельных колес, так и осей тележки. Для каждого варианта необходимо из условия равновесия системы найти наиболее
неблагоприятные нагрузки, на которые надлежит и ориентироваться в дальнейшем.
§ 14. ГРЕЙДЕР-ЭЛЕВАТОРЫ
Грейдер-элеваторы относятся к машинам непрерывного действия. Они послойно
срезают грунт и подают его на расстояние в несколько метров либо непосредственно к месту
укладки, либо в транспортные средства. Вырезание грунта производится ножом, а его
перемещение — ленточным транспортером. Грейдер-элеваторы применяются, для возведения невысоких насыпей автомобильных и железных дорог преимущественно в равнинной
местности, устройства выемок и каналов. Грейдер-элеваторы являются наиболее
производительными машинами, чему в значительной степени способствует разделение
функций резания и транспортирования грунта между двумя рабочими органами — ножами и
транспортерами.
По типу рабочего органа эти машины разделяются на грейдер-элеваторы с дисковым
ножом, с совковым режущим инструментом и машины с системой прямых или полукруглых
ножей. Дисковые ножи могут
139
Рис.85 Конструктивная схема пулуприцепного грейдер-элеватора:
1-трактор-тягач; 2-генератор; 3-траверса; 4-рама; 5-планировщик; 6-полужная балка; 7транспортёр; 8- дисковый нож.
быть неповоротными или поворотными.
По расположению транспортера грейдер-элеваторы разделяются на машины с
поперечным и диагональным расположением транспортера. Кроме того, иногда эти машины
снабжаются поворотными транспортерами или грунтометателями.
Грейдер-элеваторы с системой прямых или полукруглых ножей и диагональным
расположением транспортеров называются стругами или диагональными грейдерэлеваторами и обычно выдают грунт только в транспортные средства. Последними могут
служить перемещающиеся вместе с машиной отвальные мосты или метатели.
В настоящее время грейдер-элеваторы устраиваются полуприцепными (полунавесными),
навесными и самоходными. Ходовым устройством грейдер-элеваторов служат колеса,
оборудованные пневматическими шинами.
Навесные грейдер-элеваторы выполняются в виде сменного оборудования к
автогрейдерам. Самоходные грейдер-элеваторы обычно выполняются с использованием
одноосных тягачей и реже имеют специальное ходовое устройство и силовой привод. По
типу привода грейдер-элеваторы разделяются на машины с механической трансмиссией, с
гидроприводом или же с многомоторным дизель-электрическим приводом.
Рабочий процесс грейдер-элеваторов, т. е. вырезание и перемещение грунта,
осуществляется последовательными проходами машины по обрабатываемому участку с
поворотами в конце последнего. Некоторые машины
позволяют производить работу
челночным способом. Здесь в конце участка поворачивается рабочий орган, а машина
движется задним ходом.
Общий вид грейдер-элеватора представлен на рис. 85. Рабочим органом является
дисковый нож, который подвешен к плужной балке. Последняя может опускаться и
подниматься при помощи гидравлических цилиндров и тем самым регулировать заглубление
ножа в грунт. Вырезанный
140
ножом грунт отваливается на транспортер, который состоит из трех секций,каждая из которых имеет
самостоятельную подвеску к раме. Высота и дальность разгрузки зависят от установки этих секций.
Длины транспортёров часто изменяют при помощи вставок. Нижняя часть транспортёра
поддерживается скользящей по грунту лыжей. Передача крутящего момента транспортеру
осуществляется через редуктор и карданные валы. Ирвнспортеры всегда снабжаются
очистительными устройствами, пред-ниезченными для очистки их от налипшего грунта, которыми
служат скребки как неподвижные, так и движущиеся поперек ленты.
Дополнительными рабочими органами служат выполненный в виде отвала планировщик и
откосник, предназначенные для зачистки и предварительной планировки дна резерва и боковых
стенок отрываемых каналов. Откосник устанавливается вместо дискового ножа.
Привод транспортера осуществляется электродвигателем, который получает ток от
установленного в задней части трактора генератора. Генератор приводится от вала отбора мощности
трактора. Для повышеня устойчивости ось машины может выдвигаться в сторону. Это выдвижение и
поворот колес осуществляются гидроцилиндром.
Получают распространение совковые режущие органы, которые устанавливаются взамен
дисковых ножей. Эти рабочие органы позволяют снизить энергоемкость копания и потери грунта.
Типажом предусматриваются два типа полуприцепных машин к одноосным тягачам,
рассчитанных на работу с одноосными тягачами мощностью 180—220 и 280—310 кВт.
Производительность этих машин соответственно I составит 1000 и 1600 м3/ч.
Производительность. Производительность грейдер-элеватора зависит от способа его работы
и длины участка. Чем длиннее участок, тем производительность машины выше, так как снижаются
относительные потери времени на повороты машины. При работе в отвал при двусторонних
резервах, т. е. когда отсутствуют потери на холостой ход, производительность (м3/ч) определится по
формуле
П
60hbLk П kф
,
L
 t пов
v
(II.101)
где h и b — толщина и ширина срезаемой стружки грунта в предположении ее прямоугольного
сечения, м; k П — коэффициент, учитывающий потери на просыпание грунта, k П = 0,9÷0,95 — для
машин с дисковым ножом и
k П = 0,95÷0,98 — для машин, имеющих систему ножей; k ф —
коэффициент, учитывающий отклонение формы сечения стружки от прямоугольной, для дисковых
ножей
k ф  0,85, для машин с системой ножей k ф  1; L—длина обрабатываемого участка, м; v —
средняя скорость движения машины, м/мин;
работе в отвал и одностороннем резерве (м3/ч)
П
где
t пов
— время, затрачиваемое на поворот, мин. При
60hbLk П kф
,
L L

 2tпов
v vхол
(II.102)
vхол — скорость холостого хода, м/мин.
При погрузке грунта в транспорт циклического действия (м3/ч)
П
60hbLk П  kф
L
 t пов  (m  1)t m
v
(II.103)
где т — число транспортных единиц, погружаемых на длине пути L; tm — время, необходимое для
смены транспортного средства.
141
Основные параметры и тяговый расчет. К основным параметрам грейдер-элеваторов
относятся размеры и углы установки дискового ножа, а также возможные вылет и высота установки
транспортера. Дисковый нож вогнут по сфере, а его режущая кромка образуется конусной заточкой.
Обычно применяются дисковые ножи, имеющие диаметры D = 600÷1200 мм. Применение ножей
большего диаметра оказалось нецелесообразным. Радиус кривизны ножа устанавливается равным
(0,85÷1,0) D.
Радиус кривизны ножа может быть определен согласно схеме (рис. 86):
sin

2

D
;
2r
r
D
2 sin

2
.
(II.104)
Угол заострения обычно находится в пределах β=15÷20°. Установка ножа характеризуется
углом установки  — в вертикальной плоскости и углом захвата  — в горизонтальной плоскости.
Угол установки  зависит от угла резания  .
Оптимальные значения углов установки ножа
приведены в табл. 13. Задний угол
не должен быть
менее 3°.

Таблица 13. Оптимальные значения
Вид грунта
Глинистый……….
Суглинистый…….
Супесчаный……...
Песчаный………...
углов  и  в град
Угол
Угол
резания захвата


20
25
35
40
40
45
50
50
При работе машины необходимо не только с
наименьшими усилиями вырезать грунт, но и с минимальными
потерями подавать его на транспортер. Последнее условие
выполняется в случае, если вырезаемый пласт грунта попадает
на середину транспортера. Это имеет место, если правильно
выбрано расстояние от наиболее приближенной к транспортеру
кромки ножа до переднего края транспортера
B0 
2
B,
3
где В — ширина транспортера.
Зазор между ножом и транспортером должен быть минимальным: m = 3÷6 см. Нож заглубляется в
грунт на глубину h = (0,4÷0,5)D.
При таком заглублении и оптимальных углах установки ножа сечение стружки F колеблется в
2
пределах (0,15÷0,30) D . Для средних условий может быть принято F = 0,2D2.
Основные сопротивления, возникающие при работе грейдер-элеватора, связаны с копанием грунта и с
перемещением машины как тележки.
Сопротивление грунта копанию
ё Wp
 P01  Fk0  0,2D 2 k0
(II.105)
142
Удельное сопротивление грунта копанию здесь можно принять k0 =11÷13 Н/см2 для грунта II
категории и k0 = 14÷17 Н/см2 для грунта третьей категории.
Сопротивление перемещению грейдер-элеватора как тележки найдётся с учетом вертикальной
составляющей сопротивления копанию, которая может быть принята как доля горизонтальной составляющей
WT  [(G  Gгр )  W p ]( f  i ) ,
где
Gгр — сила тяжести находящегося на транспортере грунта, кН;
(II.106)

= 0,5 — отношение вертикальной
составляющей сопротивления копания грунта к горизонтальной; f = 0,10÷0,15 — коэффициент сопротивления
перекатыванию; i — уклон местности;
Gгр 
П 0 gL
,
3,6v л
где П — производительность грейдер-элеватора, м3/ч;
(II.107)
0
= 1600÷1800 кг/м3 — объемная масса грунта; L —
длина ленты транспортера, м; v л — скорость ленты транспортера, м/с.
При определении мощности двигателя нужно еще учесть мощность, расходуемую на привод
транспортера и подъем плужной балки, так как эти движения обычно производятся во время работы машины.
Мощность, расходуемая на привод транспортера, найдется по формуле (кВт)
NT 
П 0 g
v л2
(
H

Lf

).
3600  103T
2g
(II.108)
где H — высота подъема грунта, равная разности уровней концевых барабанов транспортера, м; g —
ускорение силы тяжести, м/с2; T — к. п. д. транспортера; f = 0,05 — приведенный коэффициент сопротивления движению ленты с учетом трения в подшипниках.
Мощность, затрачиваемая на подъем плужной балки, определяется по формуле (кВт)
N П .Б 
где
G v
.
103 б
(II.109)
G — часть силы тяжести балки, воспринимаемая канатами и цепями подъемного механизма, Н; v
—

скорость подъема балок, м/с; б — к. п. д. механизма подъема.
Внешние силы и расчет на прочность. В рабочем положении на грейдер-элеватор с дисковым ножом
действуют силы (рис. 87): активные — силы тяжести тягача GT и транспортера с грунтом
рамы рабочего оборудования и остальных частей машины
GЭ
GT  Г , сила тяжести
и сила тяги на ведущих колесах Рк; пассивные
— составляющие сопротивления грунта копанию Р01, Р02 и Р03, вертикальные реакции колес
R1 ; R2, R3
и
R4 боковые реакции колес S1 S 2 , S 3
и S 4 и сопротивления перекатыванию колес F1 , F2; F3 и F4.
Определение неизвестных сил производится из уравнений равновесия подобно тому, как это имело
место в случае автогрейдера. При этом направленная в сторону, противоположную движению машины,
составляющая копания Р01 может быть определена из уравнения тягового баланса для самоходной машины
P01  PK  WT
(II.110)
и для прицепного грейдер-элеватора
P01  T  WT ,
(II.111)
где Т — сила тяги на крюке тягача.
143
Вертикальная Р02 и боковая Р03 составляющие сопротивления копанию могут быть
определены так:
P02    P01 и
P03   'P01
(II.112)
Значения  и  ' зависят от положения дискового ножа и могут быть найдень по
углам захвата и установки. Определить соотношения между реакциями на левые и правые
колеса машины возможно по положению ее общего центра тяжести.
Расчет на прочность отдельных узлов
машины производится в предположении
внезапного наезда^ нижней точкой ножа на
непреодолимое препятствие. При этом
рассматриваются два варианта — нож опущен
на полную глубину и нож находится на
уровне поверхности грунта. Коэффициент
динамичности при этом принимается равным
k Д = 1,5. Для
определения развивающихся в
этом положении усилий рассматривается
расчетная схема, аналогичная схеме на рис.
87. Здесь рассчитывается нож е кронштейном,
плужная рама и основная рама машины.
Основная рама проверяется на прочность в
предположении наезда на непреодолимое
препятствие задних колес машины, рабочее
оборудование
которой
находится
в
транспортном положении.
Грейдер-элеваторы
с
системой
Рис.87. Силы, действующие на грейдер-элеватор
прямых ножей. Эти машины называют еще
диагональными грейдер-элеваторами. Общий вид машины представлен на рис. 88. Рабочий
орган этой машины состоит из системы трех ножей: вертикально поставленного
подрезающего, планирующего ножа, который установлен перпендикулярно направлению
движения машины с постоянным углом резания 30—35°, и косо расположенного подгребающего ножа. Система этих ножей обеспечивает вырезание стружки грунта и подачу ее на
Рис.88. Диагональный грейдер-элеватор:
1 – трактор, 2 – ножи, 3 – транспортёр, 4 – двигатель, 5 гидроцилиндр
транспортер. В связи с тем, что ширина захвата ножа
144
больше ширины транспортера, обеспечивается непрерывность подачи грунта с минимальными
потерями. Вместе с тем, боковое смятие стружки грунта при поступлении ее на транспортер
несколько повышает сопротивление копанию. Транспортер и гидравлическая система управления
приводятся в движение от отдельного двигателя, установленного на машине.
Необходимая сила тяги определяется по сопротивлениям грунта копанию, передвижению
машины как тележки и по работе, затрачиваемой на подъем грунта транспортером. Сопротивление
копанию может быть найдено по формуле
Wp = bhk0,
(II.113)
2
где b и h — ширина и глубина резания грунта; k0 = 15 ÷5 Н/см — удельное сопротивление копанию
с учетом сопротивлений, связанных c деформацией стружки при подаче грунта на транспортер.
Сопротивление движению машин как тележки и работа, затрачиваемая на подъем грунта
транспортером, рассчитывается тем же методом, что и в случае грейдер-элеватора с дисковым
ножом.
Составляющая сопротивления копанию, которая действует в направлении, противоположном
движению машины Р01, может быть определена по значению свободной силы тяги, как это было
сделано в случае машины с дисковым ножом. На основе анализа работы косого клина 3. Е. Гарбузовым выведены выражения для определения поперечной Р03 и вертикальной Р03 составляющих.
Применительно к суглинистым грунтам и обычно применяемым углам установки ножей можно
полагать, что
Р02 = (0,3÷0,4) Р01 и Р03 = (0,2÷0,3) Р01.
(II.114)
Расчет агрегатов и деталей этих грейдер-элеваторов на прочность производится в
предположении наезда ножами на непреодолимые препятствия. При этом учитывается коэффициент
динамичности k Д — 1,5.
§ 15. УСТОЙЧИВОСТЬ ЗЕМЛЕРОЙНО-ТРАНСПОРТНЫХ
МАШИН
По условиям работы землеройно-транспортным машинам необходимо
преодолевать значительные продольные уклоны и двигаться по косогорам. Поэтому необходима
проверка возможности их работы в этих условиях.
При продольных уклонах движение машины может оказаться невозможным как вследствие ее
опрокидывания, так и ввиду недостаточного сцепления ее ведущих колес с грунтом. Недостаток в
сцеплении возникает ввиду перераспределения нагрузок между осями машины при ее движении на
уклон.
Опрокидывание может иметь место в случае короткобазовых машин, к числу которых
относятся, например, двухосные колесные тягачи и устроенные на их базе бульдозеры (рис. 89). В
этом случае кроме силы тяжести машины G должно быть учтено и приложенное к крюку максимальное тяговое усилие Pmax . Проверку устойчивости лучше всего вести путем определения того
максимального угла уклона  max , при котором начинается опрокидывание машины. Этот угол
может быть найден из уравнения моментов вокруг точки опрокидывания А
Tmax hT  Ghc sin  max  Ga cos  max ,
Откуда
Tmax hT  G(a cos  max  hc sin  max ) .
(II.115)
Максимальное тяговое усилие может быть найдено из условия сцепления
Gсц cos  max  Tmax  G sin  max ,
(II.116)
145
где
 сц — коэффициент сцепления, откуда
Tmax  G (сц cos  max  hc sin  max )
После подстановки этого выражения в уравнение (II.115) можно получить
tg max  a 
сц hT
hc  hT
,
(II.117)
откуда и может быть найдено максимальное значение угла  max .
Возможность
преодоления
уклонов
определяется условиями сцепления ведущих колес
машины е поверхностью грунта. С увеличением
угла уклона  (рис. 90) сцепление колес
ухудшается, что объясняется снижением нагрузки
на ведущие колеса.
R
Рис.89. Расчётная схема для
определения максимального угла
уклона по условию опрокидывания
G
(a cos  max  hc sin  max )
L
(II.118)
Максимальное тяговое усилие, которое может
быть реализовано при движении
машины на уклон, характеризующееся тем
Рис.90. Расчётная схема для
определения максимального
угла уклона по условию
сцепления
максимальным углом  max , при котором сцепление ведущих колес еще не нарушается, может
быть найдено как
Tmax Rсц 
Gсц
(a cos  max  hc sin  max )
L
(II.119)
С другой стороны, необходимое для движения машины тяговое усилие найдется как
T  Tmax  Gf cos max  G sin  max  G( f cos max  sin  max ) ,
(II.120)
где f — коэффициент сопротивления движению.
Из уравнений (II.119) и (II.120) можно получить, что
tg max 
сц  Lf
L(1  hc )
(II.121)
146
Эта формула и может служить для определения максимального  max .При больших
углах движение самоходной машины из-за недостатка ее сцепления станет невозможным.
Поперечную устойчивость машины при движении по косогору следует проверять,
предполагая одновременный ее поворот. Развивающаяся при повороте инерционная сила
также способствует ее опрокидыванию (Рис. 91).
Эта сила может быть определена как
mv2
Pj 
r
,
где r — радиус поворота машины.
Уравнение равновесия относительно точки А
будет иметь вид
Pj hc  G (hc sin  max 
B
cos  max )  0 или
2
v2
B
 g (hc sin  max  cos  max )  0 ,
r
2
Рис.91. Расчётная схема для
проверки боковой устойчивости
машины на косогоре
(II.122)
где g — ускорение силы тяжести.
Из этого уравнения и может быть определено максимально допустимое значение угла
косогора  max .
Шарнирно-сочлененные машины, а также машины, устроенные на базе одноосных
тягачей, могут опрокидываться во время их поворота и на горизонтальной поверхности.
Поэтому проверка на устойчивость для этого случая обязательна.
Рис.92. Расчётная схема для
проверки поперечной
устойчивости шарнирно
сочлененной машины на
горизонтальной плоскости при
повороте
Наиболее опасным является случай поворота порожней машины, т. е. скрепера или
землевозной тележки тогда одновременно производится торможение одноосного тягача.
Опрокидывание наиболее вероятно, когда ось колес тягача и центр контактной поверхности
одного из колес задней оси находятся на одной прямой — линии опрокидывания XX (рис.
92). Если Pj — развивающаяся при торможении тягача сила инерции, GT и GП — силы
тяжести тягача и полуприцепа, a hc — высота расположения центра тяжести тягача, то из
уравнения моментов относительно линии опрокидывания можно получить
Pj hc  GT b  GП с
147
или условие устойчивости примет вид
jh
GT ( c  b)  GП c ,
(II.123)
g
где j — отрицательное ускорение при торможении, которое может достигать 3—5 м/с2.
Из геометрических соотношений можно получить
B
с  sin   a cos  ,
2
где  — угол складывания.
Тогда условие устойчивости выразится как
GT (
jhc
B
 b)  G П ( sin   a cos  ) .
g
2
(II. 124)
§ 16. МАШИНЫ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ
Из общего объема, земляных работ существенная часть их выполняется в
зимних условиях, т. е. когда необходимо разрабатывать мерзлый грунт. Физикомеханические свойства мерзлых грунтов и, в частности, их прочность существенно зависят
от температуры, которой определяется количество замерзшей в грунте воды. В песках и
супесях вся вода практически замерзает уже при небольших отрицательных температурах.
Суглинки и особенно глины даже при весьма низких отрицательных температурах содержат
некоторое количество незамерзшей воды. При замерзании грунта его прочность  p резко
повышается и при сжатии составляет (100÷150) • 105 Па для песков и (50÷100) • 105 Па в
случае суглинков и глин.
В мерзлом состоянии песок при большей прочности обладает более высокой
хрупкостью, чем мерзлые суглинки и глины. Последние, особенно при небольших
отрицательных температурах, имеют большую вязкость, что значительно затрудняет их
разработку машинами ударного действия.
Трудоемкость земляных работ в зимнее время повышается ввиду более высокой
прочности грунта, что вызывает необходимость его рыхления перед разработкой, а также
существующего ограничения как в содержании, так и в размерах мерзлых комьев, и тяжелых
погодных условий (отрицательные температуры, снегопады и т. п.).
Для облегчения условий разработки грунтов в зимних условиях осуществляют
мероприятия в предзимний период, предупреждающие или уменьшающие глубину
промерзания грунта.
Подготовка мерзлого грунта к разработке осуществляется оттаиванием (термическое
оттаивание, оттаивание паром или горячей водой, электрооттаивание, химическое оттаивание
и Т. п.) или его рыхлен Оттаивание является более энергоемким и менее производительным
процессом, чем рыхление, поэтому его применяют в основном в стесненных местах, где
рыхление не применимо.
Рыхление мерзлого грунта производят взрывным или механичес способом —
машинами ударного или режущего действия, а также тепловым или гидродинамическим
резанием при сверхскоростном истечении жидкости.
Одним из наиболее широко применяемых в настоящее время способов разрушения
мерзлых грунтов является взрывной способ. Энергоемкость взрывного способа относительно
мала и составляет 0,03—0,08 кВт·ч/м2. Однако во многих случаях взрывной способ не может
быть использован.
148
Значительный объем работ по рыхлению мерзлого грунта выполняют паническим
способом. Одними из наиболее целесообразных являются шины, производящие рыхление
мерзлого грунта методом скола круп-даи кусками. Рабочим органом у этих машин является
клин, внедряе-ын в грунт статическими или ударными нагрузками.
К группе машин статического действия относятся навесные рыхлители, являющиеся
эффективными машинами при рыхлении мерзлого грунта на глубину 0,4—0,7 м. Для
рыхления мерзлых грунтов обычно ррименяют рыхлители с одним зубом.
Наибольшая глубина рыхления находится в зависимости от класса базового трактора,
т. е. от его тягового усилия. Так, при тяговом усилии
30—250 кН наибольшая глубина
рыхления составляет 0,25—0,75 м. Оптимальная глубина рыхления, при которой процесс
рыхления мерз-Кго грунта наиболее экономичен, в 3—5 раз превышает ширину зуба
рыхлителя. Клиренс рамы рыхлителя должен выбираться с таким расчетом, чтобы рама
проходила свободно над разрыхленным грунтом при наибольшей глубине рыхления. Обычно
клиренс должен быть не менее 40—70% от глубины рыхления.
Машины ударного действия производят рыхление мерзлого грунта: уларами рабочего
органа, которые создаются сбрасыванием его ударной части с определенной высоты или
забиванием в грунт специальными ударными механизмами. Машины с падающими рабочими
органами широко применяют при земляных работах, что объясняется их простотой. Однако
несмотря на значительную энергию, развиваемую падающим клиновым или шаровым
молотом, производительность его низка. Например, производительность экскаватора Э-652,
оборудованного клиновым молотом массой 3т, составляет в смену всего 50—130 м3.
Недостатком такого оборудования является повышенный износ дорогостоящей базовой
машны; чго особенно имеет место, если в качестве такой машины применяют экскаватор.
Машины ударного действия с клином, забиваемым специальными механизмами,
несмотря на значительное количество их опытных образцов, еще не нашли достаточно
широкого применения, что объясняется малыми надежностью и долговечностью их
основных узлов.
Разрушение мёрзлого грунта ударными нагрузками определяется его физикомеханическими свойствами, геометрией рабочего органа и накопленной к моменту удара
кинетической энергией. Последняя, в свою очередь, зависит от массы рабочего органа и его
скорости или от прикладываемого к нему импульса. Темп рыхления должен обеспечить
нормальную производительность той землеройной машины, которой производится
разработка грунта. Для того чтобы подготовить возможность работы экскаватора с ковшом
вместимостью 0,65—1,0 м3, производительность при рыхлении не должна быть ниже 15—20
м3/ч.
Для забивки клиньев при разработке мерзлых грунтов применяют следующие
установки.
1. Грузы, смонтированные в одно целое с клиньями, которые поднимаются при
помощи лебедки трактора. При этом к одному грузу обычно прикрепляют несколько
клиньев. Так, например, трехклинный рыхлитель сконструирован как навесное оборудование
к трактору Т-100, имеет массу 3,6 т и падает по направляющим с высоты 3,3 м. Достоинством
таких устройств является их простота, а недостатком — значительные динамические
воздействия на раму машины.
2. Установки с механическим копром. Клинья изготовляют литыми из стали, так как
сварные конструкции не выдерживают динамических нагрузок.
149
3. Установки, в которых ударным механизмом служит дизель-молот. Преимуществом
применения дизель-молота является большое количество ударов в единицу времени. Вместе
с тем, энергия одного удара невелика и, кроме того, дизель-молот трудно запускать в зимних
условиях.
4. Установки с виброклином (рис. 93). Большое количество ударов в единицу времени
(730—850 в минуту) и большая возмущающая сила
120—180 кН являются
значительным преимуществом машин подобного типа. К недостаткам относится быстрый
выход из строя электромотора вибратора и других элементов конструкции, подвергающихся
действию вибрации.
Основными факторами, влияющими на процесс разрушения данного мерзлого грунта
клиновыми рабочими органами, являются энергия удара,
частота ударов, параметры и форма рабочего органа
и соотношение между массами ударника и клина.
Важнейшей величиной, определяющей
эффективность процесса разрушения мерзлого
грунта ударными нагрузками, является работа единичного удара. С увеличением последней
повышается производительность, но значительно
ухудшаются условия работы конструктивных узлов
базовой машины. Поэтому необходимым условием
правильного расчета машин ударного действия
Рис.93. Схема навески виброклина на
тракторе:
является определение минимальной величины
1 – противовес, 2-несущая рама, 3 – тросы
работы удара, обеспечивающей достаточную
подвески виброклина, 4 – направляющая
эффективность процесса разрушения грунта. Для
рама, 5 – вибратор, 6 - клин
рабочих органов с углом заострения 7—10° работу
единичного удара, отнесенную к единице длины лезвия клина, принимают равной 50— 100
Дж/см, а для клиньев с углом заострения 25—30°—равной 200— 250 Дж/см.
Разрушение мерзлого грунта при внедрении клина носит скачкообразный характер.
Вначале происходит упругая деформация грунта, а по достижении определенного
напряжения развивается пластическая деформация, которая приводит к разрушению грунта
на некоторую глубину. Далее процесс повторяется.
Глубину внедрения клина h (см) при свободном падении рабочего органа или в
результате ударов свободно падающего груза определяют, исходя из равенства живой силы
удара и работы силы, затрачиваемой на разрушение грунта,
h
QH 0
2b p k 0 k1
(II.125)
где Q — сила тяжести падающей части рабочего органа, Н; H0 — высота падения, см; b —
ширина клина, см;  p — предел прочности грунта, Па;
k0,k1 — безразмерные
коэффициенты, зависящие от геометрии рабочего органа и физико-механических свойств
грунта (табл. 14 и 15). Большие значения k1 принимают при более низких отрицательных
температурах.
Разрушение грунта обычно наступает при заглублении клина на глубину,
составляющую 1/3 - 1/2, общей толщины мерзлого слоя.
Эффективность работы машин ударного действия определяется правильным выбором
основных параметров рабочего оборудования: формы и размеров клина, величины одного
удара, отношения массы клина
150
к массе груза. Форма клина определяется высотой клина H, углом его заострения  и
шириной b. Высота клина зависит от глубины промерзания. При глубине промерзания до
1,3—1,5 м клинья существующих машин для ударного разрушения мерзлых грунтов имеют
высоту в среднем 0,8—1,2 м. Угол заострения клина  при сколе грунта назначается в
пределах 20—30°; при этом лучше работает односкосный клин. Д. П. Волков установил, что
для получения надежного скола грунта расстояние между клином и краем забоя должно
иметь отношение
lзаб = (2,0 ÷ 2,5) b.
(II.126)
При этом b не должно превышать 400—500 мм, так как в противном случае сильно
возрастает масса клина. Для повышения lзаб рабочий орган выполняют из двух-трех жестко
скрепленных между собой клиньев.
Таблица 14.
Значение
коэффициента k0
Ширина
клина b
см
5
10
15
20
30
Таблица 15.Значениекоэ ффициента k1
Грунт
Влажность
%
k1
k0
0,5—0,6
0,4—0,5
0,3—0,4
0,2—0,3
0,1—0,2
Несвязный
6
11
18
0,1—0,5
0,2—0,7
0,6—1,0
Связный
17
25
50
0,2—0,9
0,3—1,0
0,1—0,7
Большое значение для эффективности работы машин с принудительным внедрением рабочего
органа ударами свободно падающего груза имеет правильный выбор массы клина и падающего
груза. Отношение массы клина к массе ударного груза обычно принимают равным 0,2—0,4, и оно не
должно быть более 0,6—0,7.
Общая энергоемкость разрушения зависит как от работы единичного удара, так и от
количества ударов. Общая энергоемкость процесса снижается при росте работы единичного удара в
большей мере, чем за счет увеличения количества ударов.
Производительность клинового рыхлителя можно определить по
формуле (м3/ч)
П
60hal заб k B
tц
(II.127)
где а — расстояние между параллельными проходами, м; h — глубина рыхления, м; lза6 — шаг
забивки, м; kB — коэффициент использования рыхлителя во времени; tц — время цикла, мин.
Под временем цикла понимается время, затрачиваемое на забивку клина, извлечение его из
грунта и перестановку машины и клина на новое место. Расстояние а при разрушении за один проход
равно 1 — 1,5 b.
Мощность, затрачиваемую на работу оборудования со свободно падающим рабочим органом,
рассчитывают по его массе и скорости подъема. При этом предполагают, что мощность двигателя
должна в 1,5—2 раза превышать полученное таким образом расчетное значение. Запас мощности
расходуется в случае защемления рабочего органа в грунте.
Для повышения эффекта скола мерзлого грунта рабочими органами, снабженными зубьями,
на последние иногда устанавливают вибраторы.
151
К таким рабочим органам относятся ковши экскаваторов с активными зубьями и активные
рабочие органы рыхлителей. Ковши экскаваторов этого типа имеют в передней стенке
ударные блоки, представляющие собой пневматические молоты, которые ударяют по
хвостовикам подвижных зубьев. Сжатый воздух подают от компрессора. Молот включается
автоматически при нажатии зуба на грунт. Энергия единичного удара составляет 1000—2000
Дж. Частота ударов колеблется от 350 до 570 в минуту. К недостаткам этих устройств
относятся сравнительно высокая энергоемкость разрушения мерзлых грунтов, низкая
работоспособность
молотов
и
существенное усложнение конструкции
ковшей.
Ведутся также работы по созданию
рыхлителей с активным рабочим органом.
ВНИИземмашем разработана конструкция
навесного рыхлителя к трактору Т-100 для
непрерывного рыхления мерзлого грунта
под действием как тягового усилия
трактора, так и динамических нагрузок,
развивающихся в результате ударов ударника по хвостовику клина. Энергия удара
составляет 1000— 1600 Дж. Ударные
механизмы
имеют
механический,
пневматический или гидропневматический
привод.
Для разрушения мерзлых грунтов
резанием применяются фрезы, цепные
Рис.94. Силы, действующие на резец при резании
пилы (бары), шнеки или одиночные резцы,
мёрзлого грунта: а – острый резец, б – профиль
смонтированные на ковшовой цепи
изношенной площадки резца, совпадающий с
траншейных экскаваторов, а также мнотраекторией резца, в – резец с затупленной
режущей кромкой, г - профиль изношенной
гоковшовые роторы.
Резание мерзлых
площадки , не совпадающий с траекторией резца
грунтов осуществляется резцом, который
весьма быстро приобретает большую
поверхность износа. Поэтому усилия, возникающие на задней грани, превышают те, которые
развивают на передней грани. При работе на мерзлом грунте на резец действуют сила
сопротивления резанию Рр, которая приложена к грани; сила РП, стремящаяся отжать резец
от грунта, и сила Рт, направленная вдоль площадки затупления (рис. 94).
Усилия резания Рр (Н) для резцов шириной 1 — 10 см можно рассчитывать по формуле
А. Н. Зеленина
Pp  ch(1  0,55S )(1 
90  
) ,
150
(II.128)
где с — коэффициент сопротивляемости резанию (табл. 16); h — глубина резания, см; 5 —
ширина режущего профиля, см;  — угол резания, град;  — коэффициент, учитывающий
влияние условий резания (при блокированном резании ц = 1,0; при полублокированном  =
0,7÷0,75; при свободном  = 0,5).
Машины фрезерного типа прорезают щели в мерзлом грунте. Недостатком
оборудования подобного типа является необходимость иметь фрезы большого диаметра
DФ  (2,5  3,0) H П
(II.129)
где H П — глубина прорези, см.
152
Грунт
Таблица 16. Значения коэффициента с
Влажность, %
Температура грунта, К
270—268
263—258
12
550—950
1300—1850
15
20
1200—1800
1400—2300
2000—2550
2700—3600
Суглинок
10
20
30
350—500
1450—1950
1300—1650
430—500
2250—2750
2200—2750
Глина
17
25
30
800—1100
1200—1550
1450—1650
1600—1950
1850—2300
2000—2350
Супесь
При большом диаметре диск фрезы оказывается неустойчивым и часто выпучивается.
Мощность, необходимая для работы фрезерных машин, зависит от скорости подачи. При
скорости подачи в пределах 20—80 м/ч она составляет 11—30 кВт.
Для разработки мерзлых грунтов
в последнее время стали применять
машины с рабочим органом в виде
режущих цепей-баров. Бары обычно
являются навесным оборудованием к
тракторам
(рис.
95)
или
многоковшовым экскаваторам. Цепи
баров приводят в движение через
редуктор от вала отбора мощности.
Недостатком этих машин является
Рис.95. Схема баровой машины на тракторе : 1 –
абразивный износ шарниров цепи и
гидроцилиндр подъёма и опускания бары, 2
возникновение при работе значиредуктор, 3 - бара
тельных
динамических
нагрузок.
Усилие, действующее на бары Р, можно найти в предположении, что вся полезная мощность
двигателя расходуется
нарезание грунта и преодоление трения, по формуле М. И. Гальперина (кН)
P  ( PH  PP  PT )
0,8 N
 пер
ц nR0
(II.130)
где N — мощность, кВт; Рн — сила натяжения цепи, слагающаяся из силы первоначального
натяжения и натяжения от центробежных сил, Н; Рт — равнодействующая сил резания, Н; Рт
— равнодействующая сил трения, Н;  ц — к. п. д. цепи и ведомой звездочки;  пер — к. п. д.
передачи; п — частота вращения ведущей звездочки, 1/с; R0 — радиус ведущей звездочки,
см.
Для снижения энергоемкости процесса разрушения грунта на цепях устанавливают не
только резцы, но и клинья. Резцы прорезают в грунте канавки, а оставшиеся между
канавками объемы грунта скалываются
153
клиньями. На рис. 96 представлена схема расстановки резцов и клиньев. Скорость движения
цепи составляет 0,5—0,8 м/с.
При увеличении толщины срезаемого
слоя грунта снижается энергоемкость
процесса резания, но при этом необходимо,
чтобы все элементы рабочих органов
обладали
высокой
прочностью
и
жесткостью. Этому условию удовлетворяют
приспособленные для работы в зимних
условиях некоторые типы траншейных
роторных экскаваторов. Рабочим органом
здесь служит ротор с ковшами, который
опирается на сдвоенное пневматическое
колесо. Ковши оборудованы резцами
(клыками). Внутри ротора установлен
криволинейный
роторный
транспортер.
Производительность
такой
машины
достигает 250 м за смену.
Производительность машины определяют по формуле (м3/ч)
П = Fv,
(II.131)
Рис.96. Схема расстановки резцов и
клиньев рабочего органа на траншейном
экскаваторе
где F - площадь сечения
траншеи, м2; v—скорость
машины, м/ч.
отрываемой
перемещения
§ 17. АВТОМАТИЗАЦИЯ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ
ЗЕМЛЕРОЙНЫХ МАШИН
Автоматизация управления рабочими процессами землеройных машин
производится в целях наиболее полного использования мощности двигателя, повышения
качества работ и облегчения труда обслуживающего персонала. Нагрузка на рабочие органы
землеройно-транспортных машин, а следовательно, и необходимая мощность меняются в
зависимости от толщины срезаемого слоя грунта, и поэтому даже при однородных грунтах
нагрузка является переменной. При работе таких машин, как скреперы, бульдозеры нагрузка
меняется в процессе копания еще и потому, что возникают дополнительные силы
сопротивления, связанные с наполнением ковша или призмы волочения.
При уменьшении нагрузки ниже той величины, которая соответствует номинальной
мощности двигателя, возникают неиспользованные резервы мощности. Наоборот, в моменты
времени, когда нагрузка превышает номинальное значение, имеет место перегрузка
двигателя. Для использования конструктивных возможностей машины всегда выгодно
работать на режиме, близком к полному использованию мощности двигателя. Поэтому
необходимо менять режим работы машины. Такая перемена режима работы может
происходить за счет изменения как толщины срезаемой стружки грунта, так и скорости
резания. У землеройно-транспортных машин изменение скорости резания возможно только
путем изменения скорости движения всей машиной.
154
Устанавливаемые на землеройно-транспортных машинах автоматические устройства
позволяют в зависимости от усилий резания изменять положение рабочих органов, обеспечивать
выполнение проектного продольного уклона отрываемых траншей, кюветов и т. п., а также
соблюдать заданный поперечный профиль профилируемого земляного сооружения. Некоторые
автоматические устройства позволяют производить программное управление машиной.
При изменениях усилий резания постоянство затраты мощности может соблюдаться
регулированием глубины резания или скорости движения машины.
Превышение энергетических тяговых или сцепных возможностей машин приводит к
необходимости выглублять рабочий орган, чтобы создать возможность двигателю развить
необходимое число оборотов, а движителю — номинальное тяговое усилие.
Операция подъема рабочего органа у большинства современных ма-иин выполняется
гидравлическими механизмами подъема. Объемный гидропривод прост по конструкции и лучше
других отвечает требованиям автоматического управления. Повышение нагузки на рабочем органе
приводит к буксованию движителей и к понижению угловой скорости враще-
Рис.97. Схема включения центробежного регулятора в
гидросистему при регулировании по загрузке двигателя:
1 – масляный бак, 2 – гидронасос, 3 – распределитель, 4 –
гидроцилиндр, 5 – пружина, 6 – центробежный регулятор
ния двигателя. Для колесных машин характерным является повышение коэффициента буксования,
которое и используется в качестве сигнала для регулирования. Для машин с гусеничным движителем
более удобным сигналом для регулирования является изменение угловой скорости двигателя.
Фиксирование величины угловой скорости может хорошо обеспечивать центробежный регулятор,
встроенный в систему гидропривода. Регулятор через усилитель воздействует на механизм подъема
рабочего органа и тем самым производит изменение глубины резания.
Схема включения центробежного регулятора в гидросистему показана на рис. 97. При
повышении частоты вращения двигателя грузики центробежного регулятора расходятся и
перемещают золотник распределителя вниз. При этом жидкость от гидронасоса через
распределитель подается в нижнюю полость силового гидроцилиндра, что приводит к заглублению
рабочего органа. После заглубления нагрузка повышается и обороты двигателя снижаются. Поэтому
золотник распределителя возвращается в нейтральное положение, при котором жидкость от гидронасоса перекачивается в бак. Если обороты двигателя вследствие перегрузки начинают падать, то
золотник перемещается вверх, вследствие чего жидкость поступает в верхнюю полость
гидроцилиндра и рабочий орган выглубляется. Такая система применяется на бульдозерах.
155
Принцип автоматического регулирования скорости движения машины в зависимости
от величины сопротивления может быть осуществлен с помощью специальной трансмиссии.
Для этой цели в напорную линию гидроходоуменьшителя трактора встраивается
автодроссель. При увеличении толщины срезаемой стружки давление в напорной линии
гидроходоуменьшителя возрастает и вызывает перемещение штока золотника. Проходное
отверстие на потоке, питающем двигатель, уменьшается. Поток дросселируется, давление за
дросселем снижается, уменьшаются обороты гидродвигателя ходоуменьшителя. Движение
машины замедляется. При уменьшении сопротивления резанию происходит снижение
давления в напорной линии. Под воздействием пружины гидродросселя перемещается шток
золотника. Уменьшение дросселирования
потока рабочей жидкости приводит к
увеличению
оборотов
гидроходоуменьшителя, и трактор движется
быстрее.
Регулирование заглубления ножа или
отвала машины в грунт может также
осуществляться
посредством
автоматического
регулятора
давления.
Чувствительным
элементом
последнего
является золотник. Положение золотника
изменяется в зависимости от давления в
цилиндре
динамометра.
Последний
устанавливается в узле крепления отвала и
того гидравлического цилиндра исполнительного органа, который изменяет положение
этого отвала. Для того чтобы переходный
Рис.98. Гидравлический усилитель с изодромом:
процесс от одного режима к другому носил
1 – золотниковый распределитель, 2 – гильза, 3 –
плановый характер, гидроцилиндр имеет
золотник, 4 – окно, 5 – гидроцилиндр(сервомотор), 6
обратную связь с золотником, которая
– корпус изодрома, 7 – поршень изодрома, 8 –
осуществляется через специальный механизм
калибровочное отверстие(жилкер), 9 – рычаг
обратной связи
—
изодром.
Последний
состоит
из
заполненного маслом цилиндра. В цилиндре
может перемещаться поршень, имеющий калиброванное отверстие (жиклер). Поршень
связан с рычагом обратной связи, а последний — с втулкой золотника (рис. 98).
При изменении внешнего воздействия на отвал происходит отклонение золотника от
нейтрального положения, вследствие чего поршень гидроцилиндра начинает перемещаться.
Вместе с ним смещается цилиндр изодромного устройства. Если эти смещения происходят
медленно, то масло успевает перетекать через калиброванное отверстие из одной полости
корпуса изодрома в другую полость, и тогда поршень не смещается. При быстром движении
происходит смещение поршня. При этом ввиду обратной связи гильза золотника смещается
так, что происходит закрытие окон. По мере такого закрытия скорость поршня
гидроцилиндра снижается. В конце процесса под действием пружины поршень изодрома
устанавливается в нейтральное положение, в то же положение устанавливается и гильза
золотника.
В большинстве случаев тяговые возможности колесной машины определяются не
мощностью двигателя, а сцепным качеством ходового оборудования, т. е. наступлением
момента буксования.
156
Коэффициент буксования может служить сигналом для оптимизации параметров
режима работы машины. Для колесных машин при полном использовании мощности
двигателя коэффициент буксования должен быть близким к 0,2. Принципиальная схема
системы регулирования представлена на рис. 99. Для получения выбранной величины
буксования на некотором конечном отрезке пути производится сравнение числа импульсов,
соответствующих углам поворота ведущего и ведомого колес.
С момента начала отсчета включаются счетчики импульсов, состоящие из импульсных
датчиков. Эти датчики связаны с ведущим и ведомым колесами. После того как на счетчике
импульсов ведущего колеса появится определенное число, подается сигнал, включающий
вычитающее устрой- ство. Усилитель, расположенный на выходе этого устройства, при
разности, указывающей на большое буксование, подает сигнал на выглубление рабочего
органа. Недостатком этой системы является ее нелинейность и влияние на величину
заглубления рельефа местности. Так, при движении на уклон и под уклон, ввиду разного
буксования ведущих колес, заглубления рабочего органа не одинаковы, что отражается на
качестве планировки грунтовой поверхности.
Рис.99. Блок-схема управления рабочим органом по велечине
буксования
В последнее время появились землеройно-транспортные машины с универсальным
дизель-электрическим приводом и системой управления, обеспечивающей оптимальные
условия работы всей машины. Универсальные трансмиссии и автономный источник энергии
объединены в один теплоэлектрический комплекс дизель—генератор—электродвигатель.
Выходные характеристики трансмиссий или тяговые характеристики машин определяются
условиями совместной работы агрегатов комплекса. Тяговые характеристики должны
соответствовать выполняемой машиной операции. Поскольку операции чередуются, то
условия работы агрегатов должны изменяться. Эти условия работы изменяются при помощи
автоматического управления. Целью управления является обеспечение такой внешней
характеристики трансмиссии, при которой производительность машины максимальна и
одновременно достигаются увеличение срока службы дизеля, экономия топлива, снижение
буксования и повышается долговечность шин.
157
Это достигается путем равномерного распределения мощности дизель-генератора
между тяговыми двигателями. Процесс управления сопровождается ослаблением потока
возбуждения двигателя интенсивно буксующего движителя, вследствие чего момент
двигателя уменьшается и буксование движителя ограничивается. При этом за счет
целенаправленного управления силовым потоком трансмиссия работает в режиме высокой
эффективности.
В настоящее время возросли требования к ровности поверхностей как земляного
полотна, так и дорожных оснований и поверхностей. Высокая разность при планировочных
работах и заданный профиль при профилировании могут быть достигнуты только при
автоматических системах управления. Для этой цели служит система автоматического
управления
Рис.100. Схема автоматической стабилизации наклона отвала авто
грейдера:
1 – отвал, 2 – маятниковый датчик, 3 – гидроцилиндр,4 –
электромагнитный золотник, 5 - задатчик
«Профиль I», которая устанавливается на автогрейдерах с гидравлически управлением.
Схема этой системы представлена на рис. 100.
На отвале автогрейдера устанавливается маятниковый датчик. Потенциометр R1
связанный механически с маятниковым датчиком, включ в мост с потенциометром задатчика
R2. Сигнал от диагонали моста, явля щийся сигналом рассогласования, подается на
усилитель. Усили; управляет электромагнитами золотника. В зависимости от перемещения
золотника происходит подача рабочей жидкости в рабочие полости гид цилиндра подъема
рабочего органа. В результате соответствующая стор отвала поднимается и тем самым
стабилизируется угловое расположение отвала автогрейдера в поперечной плоскости.
Разработана также система автоматического управления рабо органом автогрейдера
«Профиль II». Она позволяет автоматически стабилизировать не только угловое
расположение отвала в поперечной скости, но и его высоту над поверхностью грунта.
Система состоит маятникового датчика углового положения, датчика продольного профиля
со съемными щупами, подъемного устройства датчиков продольного профиля, блока
управления и исполнительного устройства. Датчики электрические
158
соединены с блоком управления, а последний — с исполнительными устройствами, которые
управляют работой привода рабочего органа авто-грейдера.
Маятниковый датчик углового положения устанавливают на тяговой раме машины.
Электрический сигнал этого датчика пропорционален : новому отклонению его основания от
заданного положения в вертикальной плоскости. Датчик продольного профиля является
щуповым прибором со встроенными бесконтактными датчиками. При повороте щупа на угол
больше зоны нечувствительности системы бесконтактный датчик выдает дискретный сигнал,
который используется для управления рабочим органом. Этот датчик, так же как и датчики
продольного профиля, устанавливают на подъемных устройствах. Последние состоят из
механизмов грубой и точной установки и размещаются как на левой, так и на правой
сторонах отвала. Блок управления устанавливается в кабине машины и позволяет ществлять
дистанционное управление как положением отвала в поперечной плоскости, так и
исполнительным устройством. Устройство представляет собой трехпозиционный
реверсивный золотник с электрогидра-|ЛI ческим управлением.
Системы автоматизации процесса продольной планировки отличаются большим
разнообразием с точки зрения не только конструктивного выполнения, но и принципа
действия. Эти системы устанавливают не только на землеройно-транспортных, но и
мелиоративных машинах, а также на асфальтоукладчиках, бетоноотделочных и путевых
машинах. По информационному признаку они разделяются на системы с полной и неполной
начальной информацией.
В случае систем с полной начальной информацией, кроме данных о проектном
профиле, должны быть известны точные данные о профиле неспланированной поверхности.
Разность проектной начальной отметки для каждой точки участка записывается на
программоноситель и определяет то перемещение, которое должен получить рабочий орган в
этой точке Вути. В некоторых случаях эти системы имеют устройства для контроля толщины
стружки.
Системы с неполной начальной информацией разделяются на копир-ные,
стабилизации продольного уклона и навигационные. При копирной системе автоматического
управления проектный профиль обрабатываемой поверхности задается с помощью копира. В
настоящее время используются несколько копирных устройств. Простейшим из них является
механический, где используется натянутая проволока, рельс или уложенное ранее покрытие.
К копиру прижимается щуп установленного в рабочем органе датчика, который преобразует
величину отклонения от заданной линии в сигнал управления приводом. Такие системы дают
высокую точность, однако их применение возможно только на тихоходных машинах,
например на траншейных экскаваторах. Копиры лучевого типа не требуют предварительной
установки копира. При их устройстве используют оптическое или инфракрасное излучение.
Создаются системы с фотоэлектрическим устройством, где копир задается либо
кинжальным лучом с резко очерченной границей, либо плоскостью раздела двух световых
потоков с различными частотами модуляции, либо линией точечных источников света.
Трудоемкость установки световых копиров меньше, чем копиров механических, однако они
более сложны по конструкции. На рис. 101 представлена схема копирной системы,
основанной на применении оптического устройства. Управление рабочим органом
осуществляется по копиру, который образуется плоскостью раздела двух световых потоков с
разной частотой модуляции (сечение А—А). На рабочем органе расположен объектив
159
приемного устройства II, в фокальной плоскости которого находится фотоприемник 3,
Измерителем световой энергии в фотоприемнике является фотодиод. Сигнал фотодиода,
снимаемый после усиления, подается на избирательный усилитель, где разделяется на два
канала в соответствии с их рабочими частотами. Сигнал каждой частоты усиливается по
напряжению и мощности и поступает на схему сравнения. На выходе этой схемы находятся
поляризованные промежуточные реле. Последние управляют электромагнитами золотника
гидропривода рабочего органа. Уделяется внимание разработке бескопирных систем
управления. К ним относятся системы стабилизации
продольного уклона, которые применяются на ирригационных и некоторых землеройнотранспортных машинах. К таким системам относятся «Автоплан-I» и «Автоплан-II»,
Рис.101. Автоматическое устройство для управления землеройной машиной
при помощи оптического луча:
I- излучатель, II- приёмное устройство, III- бульдозер, 1 – приёмник света, 2 –
линза, 3 фотоприёмник, 4 – фильтры, А-А сечение светового потока
предназначенные для автоматической стабилизации отвала бульдозера, что необходимо при
планировочных работах.
Следует отметить, что в процессе работы бескопирных систем имеет место постепенное
накопление ошибок. Это приводит к существенному отклонению получаемого профиля от
проектного.
Принципиальная схема бескопирной системы стабилизации отвала бульдозера
представлена на рис. 102. Датчиком положения режущей кромки ножа относительно
обрабатываемой поверхности является лыжа, шарнирно-закрепленная за отвалом, которая
скользит по обработанной поверхности. С лыжей непосредственно связан управляющий
золотник гидравлического цилиндра рабочего органа. Сигнал равен нулю только при
определенных положениях базового трактора режущей кромки ножа отвала и датчика
положения. Отклонение рабочего органа от заданного положения вызывает перемещение
корпуса управляющего золотника
160
отностельно связанного с лыжей подпружиненного плунжера, который остается
неподвижным. Рабочая жидкость поступает в полость гидро-шндра и перемещает рабочий
орган, а с ним и корпус золотника до пор, пока не закроются окна золотникового устройства.
Рис.102. Принципиальная схема системы стабилизации отвала бульдозера:
1 – связь датчика с золотником, 2 – лыжа, 3 – золотник, 4 – нож, 5 –
гидроцилиндр, 6 - бульдозер
Качество планирования поверхности грунта улучшается с увеличением колесной базы
автогрейдера. Однако это ухудшает маневренность машины, делая ее пригодной только для
обработки больших площадей.
При наличии автоматизации удлинение базы может быть получено и без применения
длинной измерительной рамы. Это достигается при помощи
Рис.103. Схема управления, эквивалентная удлинению базы машины
специального устройства, которое одновременно со стабилизацией продольного уклона
создает эффект, эквивалентный длиннобазовой машине. Схема такого устройства
представлена на рис. 103. Эквивалентная этой схеме база землеройно-транспортной машины
найдется по формуле
Ll
m
n
(II.132)
где l— база рабочей машины; т и п — длинный и короткий рычаги планировщика.
161
Без увеличения габаритов машины, путем подбора длин рычагов, можно получить
эквивалентную базу длиной до 20—30 м.
Самоориентирующиеся навигационные устройства представляют собой системы,
обеспечивающие непрерывное определение вертикальной отметки кромки рабочего органа.
Когда отклонение рабочего органа в вертикальной плоскости превышает допустимое,
подается команда на изменение его положения. Структурная схема такого устройства дана на
рис. 104. Для снижения ошибки в систему включают вычислительное устройство, которое
определяет высотную отметку кромки рабочего органа. Вычисление высотной отметки
осуществляется интегрированием продольного уклона пройденного пути.
Рис.104. Структурная схема навигационного устройства
Имеются землеройно-транспортные машины с дистанционным управлением,
осуществляемым по радио. Эти машины предназначены для специальных работ. Устроенные
по этому принципу бульдозеры могут работать под водой. Командные сигналы от
управляемого оператором узла передатчика поступают в узел приемника, установленного
непосредственно на машине. Может быть достигнута одновременная передача нескольких
команд.
§ 18. МАШИНЫ ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ РАЗРАБОТКИ
ГРУНТА
Гидромеханическим способом разработки грунтов называют такой способ, при
котором все процессы — разработка грунта в карьере, перемещение его к месту укладки и, наконец,
сама укладка грунта в насыпь или в отвал — производятся с помощью воды. При этом грунт можно
разрабатывать двумя способами: размывать его подаваемой гидромонитором струей воды или
всасывать из-под воды землесосным снарядом. В обоих случаях грунт, перемещаясь с водой,
образует так называемую пульпу, которая перемещается по каналам, лоткам или трубам к месту его
укладки. Укладка производится при уменьшении скорости потока пульпы.
Применение гидромеханизации выгодно на открытых сосредоточенных разработках при
наличии благоприятного рельефа местности, источников воды и электроэнергии. В связи с этим она
нашла широкое применение в гидротехническом строительстве при намыве плотин и дамб. При
благоприятных условиях стоимость разработки грунта таким способом в 2—3 раза меньше, чем при
применении экскаваторов.
Разработанный гидромониторами грунт может перемещаться в виде пульпы самотеком
или под напором. В последнем случае размытый гидромонитором грунт стекает в приямок,
откуда пульпу засасывают передвижной
162
землесосной установкой и под напором подают ее на участок намыва. При работе
землесосного снаряда пульпа подается под напором.
При размыве грунта гидромониторами оборудование состоит из насосов,
гидромониторов, землесосной установки, труб, лотков и вспомогательного оборудования.
Насосы служат для забора воды из водоемов и подачи ее к гидромони-горам. Для этой
цели применяются центробежные насосы, развивающие
давление до 9—10 МПа с высотой всасывания до 4 м и потребляющие мощность 800—1400
кВт.
Рис.105. Гидромониторы: а – с ручным
управлением, б – с гидравлическим
управлением:
1 – фланец, 2 – колено, 3 – шарнир
горизонтального поворота,4 –
быстроразъёмное соединение,5 –
шаровой шарнир,6 – ствол, 7-насадка,
8 – цилиндры управления
Производительность таких насосов составляет 2000—5000 м3/ч. Для создания
разрежения во всасывающей линии этого насоса, что особенно важно в период пуска, служит
вакуум-насос, который вместе с электродвигателями входит в комплект насосного агрегата.
Насос должен быть рассчитан на создание напора Н, который складывается из
следующих составляющих:
H  h1  h2  h3 ,
(II.133)
где h1 — необходимый напор воды у гидромонитора, м; h2 — потери напора в водоводе, м;
h3 — напор, необходимый для преодоления высоты между забоем и зеркалом воды в
водоеме, м.
Мощность насоса в кВт может быть определена по формуле
N
QgHk
,
3600
(II.134)
 = 0,85 — к. п.
где Q — расход воды, м3/ч; Н — расчетный напор насоса, м;
д. насоса; k =1,1÷1,3 — коэффициент запаса.
Гидромониторы служат для создания выбрасываемой с большой скоростью плотной
струи воды. Они могут иметь ручное и гидравлическое управление (рис. 105). При
163
вскрышных работах чаще применяют гидромониторы с ручным управлением. При помощи
фланца гидромонитор присоединяют к водопроводу. На ствол навинчивается насадка. Для
направления струи воды в нужную точку забоя гидромонитор имеет два шарнира:
горизонтальный, обеспечивающий его поворот на 360°, и шаровой, который служит для
поворота гидромонитора в вертикальной плоскости. Гидромонитор установлен на салазках.
Большое значение имеет компактность струи. Чтобы получить такую компактность и
повысить скорость воды, стволу придана коническая форма. Скорость движения воды (м/с)
из насадки гидромонитора зависит от напора и определяется по формуле
v  kc 2gh1 ,
(II.135)
где g — ускорение силы тяжести; h1 — напор воды, м; kc — коэффициент скорости, который
для конических насадок равен 0,90—
0,95.
Таблица 17. Расход воды, необходимые
Дальность полета струи может быть
напор и уклон подошвы забоя при
определена из уравнения параболы
разработке грунта гидромонитором
Расход
воды
3
(м ) размыва
1 м3 грунта
Необходимый
напор воды, м
Необходимый
уклон подошвы
забоя,
٪
W уд  3( L  0,04 H п )
Грунт
Песок……...
Супесь…….
6—9
6—9
30—40
30—70
3—6
2—3
Суглинок…
Гравий…...
7—12
8—15
50—120
30—120
1,5—2
8—12
(II.136)
где  — угол наклона гидромонитора
к горизонту. Наибольшая дальность
соответствует  = 45°.
Опытным путем установлено,
что струя эффективно размывает
грунт на расстоянии, равном 1/3
максимального
полета.
Если
расстояние от гидромонитора до забоя
превышает
эту
величину,
то
эффективность
размыва
грунта
ПТР  kQуд П ГР k B
(II.137)
снижена.
На размыв гидромонитором 1 м3
грунта в среднем затрачивается
4—
8 кВт·ч электроэнергии. Расход воды,
необходимые напор и уклоны подошвы забоя при разработке грунта гидромониторами даны в табл.
17.
Пульпа может перемещаться под напором. В этих случаях она забирается специальными
центробежными насосами, рассчитанными на перекачку воды с грунтом. Производительность таких
насосов, которая определяется по перекачке чистой воды, обычно составляет 3000—4000 м3/ч. При
развиваемом насосом напоре 0,5—0,7 МПа необходимая мощность составляет 800—1000 кВт.
Требуемая производительность такого насоса (м3/ч) может быть определена по формуле
где Q уд — расходы воды (м3) на 1 м3 разработанного грунта; П ГР — часовая производительность
установки, вычисленная по объему разработанного грунта, м3/ч; kB = 0,7÷0,8 — коэффициент
использования оборудования по времени; k = 1,1÷1,2 — коэффициент запаса. Необходимая
мощность двигателя
N
Wуд П ГР
3600
;
(II.138)
где Wуд —- расход электроэнергии на транспортирование 1 м3 грунта, кВт·ч;  — к. п. д.
землесоса.
164
Согласно Б. М. Шкундину, при производительности землесоса в пределах 60—300
м /ч расход энергии (кВт·ч/м3) на транспортирование 1 м3 грунта
3
Wуд  3( L  0,04 H П ) ,
(II.139)
где L — дальность транспортирования, м; HП — геометрическая высота подъема пульповода
(разность отметок).
К вспомогательному оборудованию относятся трубы, водозапорное оборудование и т.
п. Для гидромеханизации применяют стальные трубы с электросварным спиральным
ковшом. На пульповодах применяются обратные клапаны прямоточного типа. Трубы
соединяются друг с другом при помощи быстроразъемных соединений. В качестве
компенсирующих устройств обычно применяются сальниковые компенсаторы. Выпуск воды
и пульпы из трубопроводов осуществляется через быстродействующие
Рис.106. Плавучий землесосный снаряд: 1 – свая, 2 – свайный
аппарат, 3 – палубная надстройка, 4 – портальная рама, 5 –
стрела, 6 –всасывающая трубка, 7 – стальной потон
задвижки. Для выпуска периодически накапливающегося в трубах воздуха устанавливаются вантузы.
Для повышения концентрации пульпы гидромонитора применяют сгустители. В последних поток
пульпы разделяется на две части: верхнюю с небольшой концентрацией мелких фракций грунта и
более концентрированную нижнюю, которая содержит крупные фракции. Верхняя часть
направляется в отвал, а нижняя — в насыпь. Этим снижается стоимость перемещения грунта по
трубам.
Производительность гидромонитора значительно повышается в том случае, если
разрабатываемый грунт подвергается рыхлению. Рыхление грунтов может производиться путем
предварительного насыщения их водой, которая нагнетается под напором 2—3 атм по трубам,
устанавливаемым на расстоянии 3—7 м от верхней бровки забоя. Для рыхления и подачи грунта к
гидромонитору могут применяться также экскаваторы или бульдозеры.
По соображениям техники безопасности, в настоящее время стремятся к осуществлению
дистанционного управления гидромонитором для поворота его ствола в горизонтальной и
вертикальной плоскостях. Для этой цели применяется гидромонитор с гидравлическим управлением
(рис. 105, б).
В случае, когда разрабатываемый грунт находится под водой или имеется возможность его
затопления, в качестве средства механизации применяется плавучий землесосный снаряд (рис. 106).
Грунт вместе с водой засасывается через приближенную ко дну забоя всасывающую трубу, которая
снабжена специальным рыхлителем. Такой рыхлитель производит фрезерование, т. е. отделение
грунта от забоя и подачу его в зону всасывания. Пульпа, консистенция которой обычно колеблется
от 1 : 6 для рыхлых грунтов до 1 : 15 для супесей с гравием и для суглинков, засасывается
землесосом и направляется по трубам (пульповодам)
165
к месту укладки. Разработка грунта производится по так называемому способу папильонирования.
Последнее осуществляется с помощью двух свай, которые закреплены в находящемся на корме
понтона свайном аппарате. С носа понтона вперед и в разные стороны заводятся два якоря. Снаряд
подтягивается к одному из якорей, при этом он вращается вокруг упертой в дно сваи. Вторая свая в
это время приподнята. После поворота до предела опорная свая меняется и снаряд подтягивается к
другому якорю, заброшенному в противоположную сторону. В результате снаряд находится в
непрерывном веерообразном движении, продвигаясь одновременно вперед.
Скорость движения пульпы не должна быть ниже определенной критической скорости, при
которой частицы начинают уже выпадать из потока. При скорости более критической движение
пульпы становится турбулентным и в потоке появляются вертикальные токи воды, которые
поддерживают частицы грунта во взвешенном состоянии. Скорость пульпы определяется уклоном.
Поэтому уклоны не должны быть ниже тех значений, которые приведены в табл. 17.
Имеются землесосные снаряды сравнительно небольшой производительности (100—270
м3/ч), предназначенные для очистки, реконструкции и строительства каналов. В качестве рабочего
органа служат фрезы, которые производят рыхление грунта. Фрезы приводятся во вращение двумя
электродвигателями. Грунтонасосный агрегат этих машин расположен в трюме, что исключает
необходимость его залива перед запуском.
В настоящее время дистанционное и автоматическое управление осуществляется только на плавучих
землесосных снарядах большой производительности. На них при помощи обычных магнитных
станций управления с общего пульта осуществляется дистанционный пуск и остановка землесоса и
управление всеми водоводными задвижками.
Контроль концентрации пульпы в трубах можно осуществлять с помощью радиоактивных изотопов,
например кобальта (Со60). Здесь концентрация определяется при помощи тарировочных кривых, по
числу гаммаквантов, достигших счетчика при прохождении их через пульповод от расположенного
на противоположной стороне от счетчика контейнера с радиоактивным изотопом.
Список литературы
1. Алексеева Т. В., Артемьев К. А., Бромберг А. А. Дорожные машины. Ч. 1. Машины для
земляных работ. М., «Машиностроение», 1972. 504 с.
2. Артемьев К. А. Основы теории копания грунта скреперами. М., Машгиз, 1963.
128 с,
3. Баловнев В. И. Новые методы расчета сопротивления резанию грунтов. М.,
Росвузиздат, 1963.
4. Ветров Ю. А. Резание грунтов землеройными машинами. М., «Машиностроение», 1971. 357
с.
5. Ветров Ю. А., Баладинский В. Л., Баранников В. Ф. Разрушение прочных грунтов. Киев,
«Будивельник», 1973. 351 с.
6. Гарбузов 3. Е., Ильгисонис В. К., Мутушев Г. А. Землеройные машины непрерывного
действия. Конструкции и расчеты. М.—Л., «Машиностроение», 1965. 276 с.
7. Домбровский Н. Г., Гальперин М. И. Землеройно-транспортные машины. М.,
«Машиностроение», 1965. 272 с.
8. Зеленин А. Н. Основы разрушения грунтов механическими способами. М.,
«Машиностроение», 1968. 376 с.
9. Машины для разработки мерзлых грунтов. Под ред. В. Д. Телушкина. М.,
«Машиностроение», 1973. 272 с.
10. Плешков Д. И., Маршак С. Ф., Ронинсон Э. Г. Самоходные пневмоколесные скреперы и
землевозы. М., «Машиностроение», 1971. 272 с.
11. Севров К. П. Автогрейдеры. М., «Машиностроение», 1970. 192 с.
12. Холодов А. М. Основы динамики землеройно-транспортных машин. М., «Машиностроение», 1968. 192 с.
13. Шкундин Б. М. Землесосные снаряды. М., «Энергия», 1973. 271 с.
166