Грунты - среда обработки МЗР.

Грунты (рис. 6.1) представляют собой внешнюю часть пород. Их отделенная от массива часть используется в строительстве в виде строительных материалов, а образуемые в массиве выемки используют в технологических назначениях (для укладки труб, строительства подземных сооружений). Для оценки трудности разработки грунтов строительными машинами используют как их физические характеристики (плотность, прочность, влажность, абразивность и др.) так и специальных энергетические, получаемые при натурном или лабораторном воздействии на них инструментом (сопротивления, копания, резания, внедрения и др.). Для оценки трудности разработки скальных пород рыхлением широко используется критерий скорости распространения в них звуковой волны. В соответствии с ее значением грунты разделяют на: не требующие рыхления (≤450 м/c); легкорыхлимые (450-1200 м/c); среднерыхлимые (1250-1650 м/с); труднорыхлимые (1650-2100 м/с и выше). Для восьми категорий грунтов, установленных по значению плотности, имеется база данных со значениями указанных характеристик, используемая для оценки трудности их разработки механическим способом.

Рис. 6.1 Структура немерзлого грунта

Рис. 6.2. Классификация МЗР

На рисунке 6.2 указаны основные группы МЗР. Каждая из указанных групп машин выполняет присущие ей рабочие процессы:

Землеройные машины (ЗМ) – копание и экскавацию грунта;

Землеройно-транспортные машины (ЗТМ) – копание и транспортировку отделенной части грунта;

Машины для уплотнения грунта – окончательное уплотнение до заданной степени;

Машины для образования скважин, проемов – получение технологической продукции в виде углублений – бурением, фрезерованием, проколом, продавливанием, раскаткой, …

Машины для получения готовых изделий в виде свай, труб, шпунта – их принудительное внедрение;

Средства гидромеханизации – размыв и транспортировку грунта.

Копание – процесс отделения грунта от массива и его экскавации (перемещения от забоя) рабочими органами землеройных машин в результате их заглубления и перемещения внутри массива с последующим выглублением.

Величина заглубления рабочего органа в грунт и длина участка копания устанавливаются из технологических соображений с учетом реализуемого скоростного режима по-разному для разных видов землеройных машин (ЗМ).

Процесс копания является основным рабочим процессом при открытом способе его разработки.

Открытый способ разработки грунта характеризуется нарушением поверхностного слоя грунта по значительной площади. Он используется для устройства котлованов траншей, а также выемок другого назначения и характеризуется значительным объемом земляных работ. Для его реализации необходимы в основном землеройные машины (экскаваторы и землеройно-транспортные машины), средства гидромеханизации, размывающие грунт, и другие виды машин.

Закрытый способ разработки грунтов практически исклю­чает нарушение поверхностного слоя грунта, являясь более эко­логичным, при этом разработка грунта ведется внутри его масси­ва с образованием скважин, используемых для прокладки ком­муникаций. (В современном строительстве этот метод нашел широкое применение в так называемых бестраншейных техноло­гиях). Бестраншейный (закрытый) способ прокладки коммуника­ций исключает необходимость в выполнении больших объемов земляных работ землеройными машинами, что снижает себе­стоимость работ и сроки их проведения. Наиболее эффективен закрытый способ проходки в городских условиях, особенно для коммуникаций малого диаметра (до 600 мм), а также в горных условиях.

Известны основные способы бестраншейной проходки:

Бурение- процесс образования цилиндрических углублений в грунте путем нарушения целостности его структуры буровым инструментом с удалением разрушенной части грунта.

Прокол- способ образования скважины, состоящий во вдавливании в грунт рабочего органа цилиндрической формы с закрытым передним торцом, в резуль­тате чего осуществляется радиальное уплотнение грунта в стенки массива. В зависимости от характера приложения нагрузки к ра­бочему органу различают статический, вибрационный и вибро­ударный прокол.

Продавливание- процесс образования скважин в результате погружения в грунт рабочего органа цилиндрической формы с открытым передним торцом с одновременным удалением грунта от забоя с помощью специальных устройств. Различают продав­ливание с извлечением грунта из прокладываемой трубы и про­давливание с опережающей разработкой грунта

Методом продавливания прокладывают как металлические сварные трубопроводы диаметром 400-2000 мм, так и сборные железобетонные конструкции торцевого соединения диаметром 1000-4000 мм — для коллекторов туннелей. Проходки реализуют­ся в грунтах I-II категорий при средней длине 70-80 м.

Раскатка грунта— процесс образования скважин в результате радиального уплотнения грунта самозавинчивающимся рабочим органом в форме катков.

Закрытый способ разработки грунтов часто совмещают с про­кладкой коммуникаций. При этом используются бурильные ма­шины и агрегаты, горнопроходческие комбайны и комплексы, а также грунтоуплотняющие машины глубинного уплотнения: пробойники, раскатчики грунта.

Погружение свай, труб, шпунта и других изделий – принудительное внедрение их в грунт с нарушением его целостной структуры вдоль оси внедрения и частичного уплотнения в радиальном направлении.

Уплотнение грунта – процесс увеличения его плотности в результате механического воздействия рабочего органа или движителя СМ, а также в ряде случаев погружаемого ими изделия.

Применительно ко всем перечисленным видам рабочих операций сопротивление грунта их реализации оценивают с помощью его механических характеристик. Для оценки трудности разработки грунта проколом используют также показатель числа ударов динамического плотномера С_уд.

Для повышения степени заполнения ковшевых рабочих органов скреперов используют, в основном, скребковые элеваторы.

При разработке мерзлых и прочных грунтов рабочие органы ЗМ оснащают вибрационными, виброударными механизмами, в том числе с использованием волновых эффектов. В таком исполнении их называют рабочими органами интенсифицирующего (активного) действия.

Основными характеристиками рабочих органов землеройных машин являются их форма и геометрические размеры, которые наряду с режимами их работы определяют энергоемкость и производительность рабочего процесса.

Передние кромки ковшей одноковшовых экскаваторов, ковшовых погрузчиков часто выполняют в форме зубьев-рыхлителей, форма которых подбирается для конкретных условий работы. Крепление их к ковшу предусматривает возможность замены при износе.

Реализация процесса копания грунта происходит в результате действия на рабочий орган ЗМ системы активных сил, приложенных со стороны привода машины, преодолевающих реактивные сопротивления, действующие на него со стороны грунта. При этом рабочий орган, перемещаясь по определенной траектории внутри массива грунта, образует соответствующий продольный профиль копания. Необходимым условием реализации рабочего процесса ЗМ является создание на рабочем органе достаточной системы активных сил, способных преодолеть реакции грунта. Это условие в форме уравнения равновесия рабочего органа в плоскости его перемещения носит название уравнение тягового баланса. Величину активных сил выражают через характеристики привода и машины в целом, а реактивных – через характеристики грунта, в виде силовой модели рабочего процесса.

Силовая модель рабочего процесса ЗМ представляет собой систему зависимостей, устанавливающих соответствие между реакцией грунта на рабочий орган или движитель машины и характеристиками пар: рабочий орган – грунт; движитель – грунт. Разработка силовых математических моделей рабочих процессов занимает центральное место в исследованиях землеройной техники.

Неоднородность структуры грунтов принципиально не позволяет использовать для описания внутренних процессов при ее деформации рабочими органами СМ средства механики сплошной среды. В особенности это относится к рабочим органам землеройных машин, имеющих сложную геометрию и траекторию движения. Поэтому при использовании процессов копания грунтов наиболее эффективным оказался эмпирический метод исследования, основанный на энергетических характеристиках рабочего процесса.

Исследования рабочих процессов землеройных машин учеными «советской» школы, проводимыми с середины и до конца ХХ века, позволили получить эмпирические модели разной степени компактности для основных видов ЗМ.

При расчетах ЗМ в практической деятельности наиболее широкое применение нашла силовая модель копания профессора Н.Г. Домбровского и модель профессора А.Н. Зеленина, основанные на энергетических характеристиках.

Модель копания профессора Н.Г. Домбровского, отражающая горизонтальную составляющую копания грунта:

W01 = KBC,

(6.1)

где К – удельное сопротивление грунта копанию, по существу, представляет частную (для конкретных условий испытаний) энергоемкость рабочего процесса копания, приведенного к эквивалентному процессу резания.

Модель получена на основании модели академика В.П. Горячкина, разработанной для копания плугом.

Касательная составляющая W₀₁ оказывает сопротивление перемещению рабочего органа, а нормальная W₀₂ – его подаче.

Для конкретных рабочих органов ЗМ с конкретной геометрией клина считают:

Простота модели и большое число исследований, проведенных по оценке значения К, для различных видов грунтов при копании их экскаваторами, позволили создать значительную базу данных, что определило ее значимость. Имеющая база данных по удельным сопротивлениям грунта копанию экскаваторами позволяет, применительно к конкретной машине и условиям работы, оценивать время копания из условия использования для этого затрат мощности на рабочем органе:

где N_P.O = N_ДВ · η_Σ · 0,8 (при 80%-ной реализации мощности первичной силовой установки).

Kн - коэффициент наполнения ковша вместимость q.

Kp - коэффициент разрыхления грунта, отражающий отношение плотности грунта в массиве к плотности в разрыхленном состоянии.

Следует отметить, что значения Кбыли получены в скоростных режимах нагружения, в основном, до 1,5 м/с.

Основу модели профессора А.Н. Зеленина составляет база данных по определению плотности грунтов с помощью плотномера конструкции ДорНИИ. Последний позволяет получить энергетические характеристики грунтов в строго нормированных режимах испытаний, что обеспечивает высокую точность результатов. На основании указанной базы разработаны эмпирические модели ряда рабочих процессов: рыхления грунтов рыхлителями на базовых тягачах и тракторах, копания грунтов скреперами и др.

Наиболее широкое применение нашла силовая модель рыхления грунта, в соответствии с которой:

где С_уд – число ударов динамического плотномера;

В – ширина наконечника;

К₁ – коэффициент, учитывающий условия рыхления;

Δ – коэффициент, учитывающий износ и затупление наконечника;

h – глубина рыхления.

Установленные взаимосвязи между базовыми характеристиками трудности разработки грунтов по методам профессора Н.Г. Домбровского и профессора А.Н. Зеленина усилили позиции обоих методов и позволили создать единую базу данных, используемую в настоящее время. Углубленные исследования механизмов взаимодействия рабочих органов СМ и грунтами при различных режимах проводились также учеными ряда научных школ:

Московской (В.Д. Абезгаузом, В.Н. Баловневым, М.Н. Гальпериным, И.К. Растегаевым, Д.Н. Федоровым и другими);

Киевской (Ю.А. Ветровым, В.Л. Баладинским, Е.Н. Хмарой и другими);

Сибирской (Т.В. Алексеевой, К.А. Артемьевым и их учениками);

Приволжской (Д.А. Лозовым, А.А. Покровским и другими).

Это позволило создать единую базу данных для различных режимов взаимодействия подсистемы «рабочий орган-грунт».

Полученные формы математических моделей являются основой качественной и количественной оценки рабочих процессов землеройных машин. Наиболее широкое использование нашли силовые модели, позволяющие на основании расчета (в форме уравнений тягового баланса) сделать заключение о возможности реализации рабочих процессов конкретным видом и типоразмером машины в заданных условиях эксплуатации.

6.2. Землеройные машины.

Землеройные машины (ЗМ) – группа машин, обеспечивающих разработку грунтов копанием с последующим перемещением отделенного грунта.

Их объемную производительность оценивают объемом перемещаемого грунта в плотном состоянии за единицу времени.

Копание является комбинированным процессом, включающим:

- резание – снятие (отделение) стружки грунта (переменным сечением ВС) толщиной С, соответствующей глубине внедрения в грунт рабочего органа при ширине В его породоразрушающей (режущей) части (при выполнении рабочего процесса породоразрушающей частью рабочего органа в виде рыхлительных зубьев используют термин «рыхление» грунта);

- перемещение части отделенного грунта перед рабочим органом и по его поверхности;

- заполнение рабочего органа (для ковшовых рабочих органов).

В процессе копания происходит разрушение – рыхление целостной части отделенного грунта. Степень разрыхления грунта оценивают коэффициентом разрыхления, равным отношению объемов грунта в разрыхленном и естественном состояниях.

Рабочие органы ЗМ (рис. 6.3) имеют две функциональные части: отделительную – в виде ножевого или рыхлительного органа и аккумулирующую – в форме отвала, скребка или ковша. Отделительная часть рабочих органов обычно выполняется в форме прямолинейных клиньев. При этом их переднюю и заднюю грани, с целью повышения износостойкости, упрочняют.

Рис. 6.3. Основные виды рабочих органов землеройных машин

Активно проводятся исследования по использованию многослойных криволинейных клиновидных зубьев в соответствии с принципами биомеханики, которые показывают их более высокую эффективность. Тенденция развития аккумулирующих частей рабочих органов связана с исключением потерь грунта при его транспортировке и повышением степени их заполнения.

Отвалы оборудуют устройствами для снижения потерь грунта в процессе его транспортировки – закрылками, а ковши – устройствами, исключающими эти потери – заслонками.

По конструктивному исполнению ЗМ разделяют на экскаваторы и землеройно-транспортные машины (ЗТМ).

6.2.1. Экскаваторы. Общие сведения

Экскаваторы – группа ЗМ, выполняемая на самоходном шасси, оснащенном рабочим оборудованием с одним или несколькими рабочими органами ковшового типа (в ряде конструкций экскаваторов используются скребковые рабочие органы), обеспечивающих процесс экскавации грунта в пределах рабочей зоны.

В соответствии с этим выделяют экскаваторы одноковшовые: главный параметр – геометрическая вместимость ковша и многоковшовые: главный параметр – производительность. Первые являются машинами цикличного действия, а вторые – непрерывного. Поэтому их называют экскаваторами непрерывного действия. Они представляют широкую группу машин – применяемых, в основном, в карьерах. В строительстве их используют для рытья траншей, в связи с чем называют траншейными экскаваторами или траншеекопателями. Экскаваторы перемещают грунт только в зоне действия своего рабочего оборудования в отвал или транспортные средства. Вместе с ними экскаваторы образуют землеройно-транспортные комплексы.

Реализация процесса копания производится как без участия механизма передвижения машины, т. е. позиционно, одноковшовыми экскаваторами и экскаваторами непрерывного действия радиального капания, так и при непосредственном его участии (струги, экскаваторы непрерывного действия с землеройным рабочим оборудованием многоковшового исполнения (роторного или цепного типа), продольного и поперечного копания)).

Ниже представлены отдельные виды ЗМ.

6.2.2. Экскаваторы одноковшовые

Экскаватор одноковшовый – землеройная машина позиционного цикличного действия на самоходном шасси с опорно-поворотным устройством, оснащенная рабочим оборудованием в виде лопат.

Он предназначен, главным образом, для разработки экскавации грунта ковшовым рабочим органом (рис. 6.4). Наиболее широко применяется жесткая подвеска рабочего оборудования и гусеничное или пневмоколесное специальное СШ.

Рис. 6.4. Схема универсального гидравлического пневмоколесного

экскаватора с различными видами рабочего оборудования и

характеристики рабочих зон:

а) с рабочим оборудованием типа обратная лопата;

б) с рабочим оборудованием обратная лопата в зачистном исполнении;

в) с рабочим оборудованием типа прямая лопата;

г) с грейферным рабочим оборудованием;

B – максимальная глубина копания; D – максимальная высота выгрузки;

A – радиус копания на уровне стоянки; C – максимальная высота

копания (положение режущей кромки ковша); K – протяженность горизонтальной

части выемки на глубине копания b; B’, b’ – размеры сечения выемки

Главным параметром экскаваторов является геометрическая вместимость ковша (q, м³), а также коррелированная с ней масса машины. К числу основных параметров относят: величину рабочей зоны, продолжительность рабочего цикла экскавации (Т_ц, с), включающего операции копания, транспортировки при угле поворота поворотной платформы на угол π/2, и отсыпки грунта, возврата ковша в исходное положение. Основными видами ковшового рабочего оборудования являются: лопаты (обратная и прямая), драглайн, грейфер, погрузчик, а также планировочное. Универсальные гидравлические гусеничные экскаваторы могут оснащаться крановым, бурильным, сваебойным и другими видами рабочего оборудования (рис. 6.5÷6.7).

Рис. 6.5. Экскаваторы специальные: а) драглайн; б) планировщик;

1 – гидроцилиндр подъема стрелы, 2 – телескопическая стрела, 3 – гидроцилиндр

телескопирования, 4 – выдвижная часть стрелы, 5 – гидроцилиндр поворота ковша,

6 – ковш планировочный, 7 – гидроцилиндр поворота стрелы вдоль её продольной оси

Рис. 6.6. Гусеничный одноковшовый универсальный экскаватор со сменными

видами рабочего оборудования:

а) гидромолотом, б) вибропогружателем, в) ножницами, г) виброплитой

Быстросъемные механизмы (БСМ) предназначены для быстрой смены рабочего оборудования (ковш, гидромолот, гидроножницы, рыхлитель, грейфер и т.п.) без привлечения дополнительного рабочего персонала

Управление БСМ происходит гидравликов экскаватора

Быстросъемный механизм значительно экономит время при смене оборудования, если имеются проблемы с демонтажом фиксирующих пальцев ковша.

Конструкция, предлагаемого компанией «Традиция-К» БСМ обладает рядом преимуществ перед конкурирующей продукцией:

- не требует переделки металлоконструкции ковша и уже приобретенного оборудования

- не требует присутствия при установке специалистов, кроме самого экскаваторщика

- не требователен к износу присоединительных посадочных мест ковша.

- возможна установка на любой экскаватор

Быстросъемные механизмы изготавливаются непосредственно под присоединительные размеры экскаватора и подразделяются на 6 размерных групп.

Рис. 6.7. Быстродействующий механизм крепления

сменных рабочих органов

Тилтротатор

«Тилтротатор» является многоцелевым, простым в использовании приспособлением для колесных/гусенечных экскаваторов различного класса, а также экскаваторов-погрузчиков, предназначенным для упрощения работы и увеличения скорости (производительности).

Экскаваторы классифицируются по различным критериям.

По области применения различают экскаваторы строительные, карьерные, специальные (подземные и подводные).

По назначению с учетом области применения выделяют:

- экскаваторы строительные на гусеничном и пневмоколесном ходу, реализующие широкий спектр операций по разработке грунта, а также погрузки и разгрузки строительных материалов (q – до 4-6 м³);

- экскаваторы вскрышные гусеничные специального исполнения рабочим оборудованием прямая лопата, применяемые в горно-рудной промышленности с емкостью ковша свыше 40 м³;

- шагающие экскаваторы драглайны, используемые в гидротехническом строительстве, с емкостью ковша свыше 100 м³.

Без предварительной подготовки экскаваторы могут разрабатывать грунты I-IV категории.

Основным видом рабочего оборудования универсальных гидравлических экскаваторов является “обратная лопата”, с помощью которой производится разработка грунта, расположенного в основном ниже уровня стоянки машины. При выставленной стреле копание производят путем поворота рукояти и ковша или только рукояти.

Для заданной длины рукояти максимальные значения глубина копания и высоты выгрузки грунта и соответствующих радиусов определяются продольными значениями углов наклона и подъема стрелы экскаватора и вертикальной координатой оси её установки.

При разработке грунта поворотом рукояти, при заранее выставленной стреле, траектории перемещения ковша представляют собой дуги окружностей радиуса l_p.

Путь наполнения ковша грунтом с коэффициентом наполнения K_н при толщине стружки c определяют из условия равенства грунта в выемке массива и в ковше:

Толщина стружки c определяется заглублением режущей части ковша в массив за счет силы тяжести рабочего оборудования. Регулирование значения c осуществляют гидроцилиндром ковша или стрелы.

Тяговое усилие ковша, преодолевающее касательную составляющую копания (W₀₁) создается гидроцилиндром поворота рукояти, формирующим активный момент вращения.

В последнее время в качестве универсальных все шире используются экскаваторы-погрузчики – землеройные машины, оснащенные двумя базовыми видами рабочего оборудования, выполненные на базе пневмоколесных двухосных шасси, а также телескопические погрузчики (рис. 6.8). Их оснащают набором сменных рабочих органов для выполнения широкого спектра землеройных погрузочных работ.

Рис. 6.8. Экскаватор-погрузчик:

а) размещение рабочего оборудования, б) сменные рабочие органы

6.2.3. Траншеекопатели

Траншеекопатели (Т) – специализированные землеройные машины для образования траншей, для прокладки коммуникаций с помощью землеройного и транспортирующего оборудования, навешенного на тягач (рис. 6.9, а).

Рабочий процесс реализуется при движении машины на низших передачах. Размеры траншей, характеризуемые длиной, формой и размерами поперечного сечения, определяются условиями и видом прокладываемых коммуникационных систем: ТV-кабелей, силовых кабелей, дренажных, водопроводных, канализационных и газовых труб и составляют в сечении b × h, мкм: 0,12/0,6×0,4×10.

Рис. 6.9. Траншейный цепной экскаватор:

а) общий вид, б) схема работы рабочих органов;

1 – противовес, 2 – трактор гусеничный, 3 – кабина управления, 4 – ходоумень-

шитель, 5 – раздаточная коробка, 6 – отвалообразователь, 7 – гидроцилиндр

подъема-опускания землеройного рабочего оборудования, 8 – землеройное

рабочее оборудование цепного типа;

V_ц; V_э – скорости движения, ц – цепи, э – экскаватора;

H_к – глубина копания; С – толщина стружки грунта; С₁ – удельная

подача ковшей; S_к– шаг их установки.

Т обеспечивающие прокладку дренажных труб на глубину до 10 м составляют особый класс машин для осушения.

Еще одним особым классом Т являются машины подводного исполнения, работающих на глубинах 3-6 м; 30 м и 300 м.

Основными видами землеройного рабочего оборудования являются:

-цепное многоковшовое или многоскребковое;

-роторное ковшовое;

-плужное;

-винтовое;

-фрезерное.

Указанные виды землеройного рабочего оборудования используют в грунтах I – III категорий. В скальных и мерзлых грунтах используется дисковое и цепное рабочее оборудование для нарезки щелей, называемое баровым.

В Т предусмотрена возможность отвода отдельного от массива грунта в отвал или транспортное средство, следующее параллельным курсом. Для этих целей Т оснащены транспортирующим оборудованием – отвалообразователем. Он представляет собой ленточный конвейер, размещенный в поперечной плоскости Т.

С целью образования трапецеидальной формы траншеи Т дополнительно оснащены режущими цепями или землеройным оборудованием винтового типа, устанавливаемых в поперечной плоскости Т.

С целью выполнения рабочей операции по укладки коммуникационных кабелей и труб Т оснащают укладочным оборудованием (кабелеукладчиками, трубоукладчиками).

Однородность разрабатываемых объектов – траншей, характеризуется их постоянством сечения и значительной протяженностью, позволили полностью автоматизировать Т. Они могут иметь три автономных контура автоматического управления:

-следящий контур по курсу движения, реализующий проект сооружения траншеи по заданной трассе;

-экстремальный контур, обеспечивающий максимальную производительность копания при заданной глубине траншеи;

-контур стабилизации положения землеройного оборудования с целью сооружения траншеи с заданным уклоном, выполняемый в виде копирных систем.

Цепной землеройный рабочий орган представляет собой инструмент в виде системы ковшей, скребков, клыков с режущими зубьями (баров) последовательно расположенных на цепном тяговом органе, перемещающихся от индивидуального гидромотора или привода хода через раздаточную коробку, по замкнутой траектории между приводной и натяжной звездочками. Последние вместе с механизмом натяжения закреплены на цельной или шарнирно-сочлененной ковшовой раме с гидроприводом изменения ее контура, что позволяет разрабатывать грунт не только по забою, но также по подошве и даже верху выработки.

Роторное оборудование представляет собой систему ковшей, баров установленных по периметру жесткого колеса – ротора, вращающегося от собственного гидропривода. Сам ротор при этом с помощью роликовых опор обкатывается по беговой дорожке опорной рамы, крепящейся к стреле или рычагу, управляемых гидроприводом. Передняя часть ковшей выполнена в виде режущей кромки или зубьев рыхлителей. Задняя часть ковша выполняется открытой с целью возможной перегрузки отделенного грунта на отвалообразователь. Число и емкость ковшей определяется диаметром ротора, зависящего от области использования рабочего оборудования. Схемы разгрузки: гравитационная и инерционная. Ширина ротора составляет 0,01 ÷ 0,05 D его диаметра.

При нарезке узких щелей (70-120 мм) ширина ротора составляет менее 0,05 D. Это так называемые дискофрезерные рабочие органы с системой режущих баров, установленных под разными углами. Взаимодействие баров с грунтом происходит при повышенных скоростях резания (4-8 м/с) и обеспечивает малую энергоемкость процесса разрушения грунта.

Наиболее широкое применение в Т получило цепное и роторное землеройное оборудование. Его основными параметрами является его длина или диаметр (для роторного), число m и геометрическая вместимость ковшей q, шаг их расстановки S_k и скорости рабочих движений. Часть из указанных параметров является взаимозависимыми.

Установим взаимосвязь между ними для случая разработки траншеи заданной глубины Н_к в заданном грунте применительно к цепному ковшовому рабочему оборудованию (рис. 6.9, б).

Ковши движутся с суммарной скоростью V, являющейся векторной суммой скоростей движения цепи V_ц, называемой скоростью копания и перемещения экскаватора V_э. В процессе копания одновременно участвуют несколько ковшей. Их число в соответствии с рис. б) для глубины забоя Н_к и шаге расстановки S_k определяется формулой:

m = 1+ Hк / (Sk · sin α).

(6.6)

Процесс копания каждым ковшом производится по траектории его перемещения от подошвы забоя к поверхности, наклоненной под углом β к направлению его перемещения. Величина угла β определяется углом α установки рабочего оборудования и скоростными режимами его движения:

β = arctg (Vц· sin α/ (Vц· cos α + Vэ)).

(6.7)

Для эскаватора применительно к разрабатываемому грунту выбирают рациональное значение V_э/V_ц.

Критерием рациональности считают планируемую для данного грунта степень заполнения каждого ковша К_н. В этом случае объем грунта в плотном состоянии выносимого из забоя каждым ковшом вместимостью q составит:

q гр = q · (Kн / Кр) = Нк· b · c1/ sin β = = Hк · b · Sk · (Vэ / Vц),

(6.8)

где b – ширина ковша,

с₁ = S_k· (V_э / V_ц) – величина подачи приходящаяся на шаг расстановки ковшей S_k.

Откуда:

Vэ / Vц = q · Kн / (Нк · b · Sк · Кр),

(6.9)

Техническую производительность экскаваторов рассчитывают по объему грунта в плотном тле за час работы. Она пропорциональна произведению

q_гр · i, где i – число разгрузок ковшей в единицу времени. Емкость ковша многоковшовых экскаваторов обычно задают в литрах. В этом случае техническую производительность, м³/ч рассчитывают по формуле:

Пт = 3,6 qгр · i = q · i · KH / КР,

(6.10)

где i = V_ц / S_k, с^-1.

Опыт реализации технологий укладки трубопроводов с помощью землеройной техники выявил основные направления их развития, состоящие в следующем:

-одновременном выполнении операций устройства траншеи и укладки трубопровода, для чего Т комплектуют трубоукладочным рабочим оборудованием;

-снижении удельных приведенных затрат и энергоемкости рабочего процесса путем выполнения траншей минимальной ширины (узкотраншейная технология), а также переходу к использованию других видов предукладочного оборудования: плужных рабочих органов, осуществляющих процесс косого резания при минимальном разрыхлении грунта и удалении его из массива, а также активных рабочих органов в виде пробойников, раскатчиков и других.

6.3. Землеройно-транспортные машины.

Землеройно-транспортные машины – группа землеройных машин цикличного действия на самоходном шасси-тягаче, с рабочим оборудованием отвального и ковшового типа, обеспечивающих копание грунта и его транспортировку от десятков метров до нескольких километров, а также планировочные работы и предварительное уплотнение грунта.

Реализация процесса копания производится при участии механизма передвижения машины.

В группу ЗТМ включают: бульдозеры, автогрейдеры, ковшовые погрузчики. В сравнении с экскаватором ЗТМ более дешевы, просты в эксплуатации, менее энерго- и металлоемки. Это обеспечивает им высокие технико-экономические показатели для определенной дальности перемещения грунта: до 100 м – бульдозерами; до 3,5 км – самоходными скреперами.

Бульдозер – ЗТМ с навесным рабочим оборудованием бульдозерного типа на гусеничных или двухосных колесных тракторах и тягах, предназначенная для работ по возведению насыпей, траншей, выемок, засыпке рвов и выполнения планировочных работ.

В состав рабочего оборудования входит (рис. 6.10): отвал с режущим органом ножевого типа; толкающие брусья или рама с упряжными шарнирами крепления к раме ходовых тележек или раме тягача; раскосы, служащие для установки отвала в требуемое, по отношению к грунту, положение и исполнительное устройство гидропривода – гидроцилиндры для управления положением отвала. Последние обеспечивают заглубление – выглубление отвала (неповоротные отвалы), поворот его в горизонтальной плоскости (поворотные отвалы) и перекос его в поперечной плоскости. Такие конструкции отвалов расширяют технологические возможности бульдозера. Конструктивной особенностью бульдозера является переднее расположение отвала. Конструкция отвалов разнообразна по размерам и форме, определяющими возможный объем перемещающего грунта.

Рис. 6.10. Бульдозер гусеничный:

а) общий вид, б) сменные отвалы, в) схема установки бульдозерного рабочего

оборудования с отвалом с уширителями, г) схема установки двухзубового

рыхлителя с помощью комбинированной подвески

Бульдозеры комплектуют набором различных форм отвалов для работы в различных грунтовых условиях.

Главный параметр бульдозера - его тяговые характеристики в виде номинального тягового усилия тягача или максимального усилия «на крюке», представляющее так называемую силу свободной тяги, возможную для использования рабочих операций.

Номинальное тяговое усилие определяется возможностью первичной силовой установки тягача с учетом коэффициента буксования δ (0,07 – для гусеничных и 0,2 – для колесных тягачей) по формуле:

Тн = Ne max /(Vт(1 – δ)),

(6.11)

где N_{e max} – максимальное значение свободной мощности первичной силовой установки базовой машины;

V_т – теоретическая скорость передвижения.

В соответствии со значением Т_н установлены тяговые классы тракторов и тягачей, выражаемые обычно в кН.

Максимальное усилие «на крюке» вычисляют по формуле:

Ткр = Тн – Gcцf,

(6.12)

где G_сц – сцепной вес;

f – коэффициент сопротивления передвижению машины.

По значению номинального тягового усилия базовой машины, определяющего ее тяговый класс, различают бульдозеры малогабаритные (тяговый класс менее 25 кН, N_дв до 15 кВт), легкие (25-135 кН, 15,5-60 кВт), средние 135-200 кН, 60-108 кВт), тяжелые (200-300 кН, 110-220 кВт),сверхтяжелые (свыше 300кН и 220 кВт).

В практической деятельности в качестве характеристик базовых машин и бульдозера в целом используют номинальную мощность первичной силовой установки и массу. К числу основных параметров бульдозера, определяющих возможный объем перемещенного перед отвалом грунта (так называемую призму грунта), относятся размеры его рабочего органа – отвала. При оснащении бульдозера вторым видом рабочего оборудования – рыхлителем, расположенным сзади тягача, его называют бульдозерно-рыхлительным агрегатом.

Рыхление прочных грунтов производят с целью их подготовки для последующей разработки. Рыхлительное навесное оборудование (рис. 6.10, г) состоит из нескольких (1-3 штук), зубьев, установленных в ряд на поперечной балке, расположенной сзади бульдозера и крепящейся к нему с помощью подвески – стержневых систем, управляемых гидроцилиндрами. Подвески бывают 3-х, 4-х точечные (параллелограммные) и комби.

Рабочий процесс рыхления состоит в заглублении зубьев рыхлителя в грунт, перемещении их в грунте на глубине h при движении бульдозера, последующем выглублении. В результате этого происходит разрушение грунта. Заглубление и выглубление рыхлителя происходит за счет создания на его зубьях заглубляющего усилия. Это осуществляется гидроцилиндром управления подвеской рыхлителя.

Процесс рыхления менее энергоемкий, чем копание, так как при этом не заполняется грунтом рабочий орган и не перемещается призма грунта.

Наряду с рыхлителями статического типа применяют и активные – виброударного действия, повышающие проихводительность рабочего процесса (рис.). Их применение позволяет отодвинуть верхнюю границу по трудности рыхления – скорости звуковой волны, за отметку 3000 м/с – зону использования буровзрывных технологий.

Ковшовый погрузчик – погрузочная машина в виде базового тягача и ковшового рабочего оборудования навесного типа в составе погрузочного ковша, стрелы, гидросистемы управления. Конструкция стрел различна, в том числе используются телескопические стрелы. Базовые тягачи могут оснащаться опорно-поворотным устройством.

Главными параметрами ковшовых погрузчиков являются грузоподъемность или номинальная емкость ковша, к числу основных относят характерные точки рабочей зоны, соответствующие максимальной высоте разгрузки, вылету ковша, а также номинальное тяговое усилие тягача. Несмотря на то, что ковшовые погрузчики относятся к классу подъемно-транспортных машин, они широко применяются в современных технологиях земляных работ как при погрузке, так и при копании легких грунтов.

Автогрейдер – ЗТМ на базе самоходного специального пневмоколесного шасси с рабочим оборудованием в виде отвала, расположенного на опорно-поворотном устройстве тяговой рамы, между осями передних и задних колес, предназначенная для комплекса дорожных работ: профилирования грунтовых дорог с устройством водоотводных канав, возведения дорожных канав из боковых резервов, планировки земляного полотна, откосов, выемок, насыпей, устройства дорожного полотна и террас на крутых склонах, корыта в готовом полотне и др. (рис. 6.11).

Гидропривод отвала обеспечивает широкие возможности для его манипулирования: подъем – опускание – вынос в сторону (в том числе с перекосом), поворот на угол до 2π рад. Кроме основного рабочего оборудования, он может быть оснащен дополнительным отвалом или кирковщиком.

Рис. 6.11. Автогрейдер среднего типа с колёсной формулой 1×2×3:

а) общий вид, б) схема машины, в) схема подвески и движения отвала;

1 – задние ведущие колёса, 2 – балансирная подвеска, 3 – подрамник,

4 – рама (хребтовая балка), 5 – кронштейн крепления отвала с ножевым

органом (7) к поворотному кругу (8), 6 – шарнир, 9 – тяговая (нижняя)

рама, 10 – универсальный шарнир, 11 – передние управляемые колёса,

12 – дополнительный отвал с гидроцилиндрами управления (13),

14 – гидроцилиндры подъема - опускания отвала

15 - гидроцилиндры выноса отвала.

Главным параметром автогрейдеров является масса машины, в соответствии с которой их разделяют на типы: легкие, средние и тяжелые конструктивной массой соответственно 9, 13 и 19 т (ГОСТ 4.12-87, ИСО 3450-85). Колесная схема автогрейдера: А´В´С отражает количество осей самоходного шасси: А – управляемых, В – ведущих, С – общее. У всех автогрейдеров передние колеса являются управляемыми.

Автогрейдеры легкого и среднего типов имеют колесную схему: 1´2´3; а тяжелые: 1´3´3. База самоходного шасси значительна: 7-9 м, в связи с чем для улучшения маневренности ее часто выполняют шарнирно-сочлененной.

Скрепер – ЗТМ с прицепным или полуприцепным к базовому тягачу рабочим оборудованием в виде передвижного ковша с режущим органом ножевого типа, предназначенная для копания и транспортировки грунта на значительные расстояния (до 3-5 км) с последующей его отсыпкой (рис.6.12)

В качестве базовых тягачей используются гусеничные и пневмоколесные: одноосные и двухосные. С целью увеличения тяговых способностей ось скреперного ковша может приводиться в движение от собственного привода (двухмоторные скреперы). Скреперный ковш оснащен гидроприводом заглубления, приводимым в действие от первичной силовой установки базового тягача.

Рис. 6.12. Скреперы:

а, в) самоходный на базе одноосного пневмоколесного тягача (1),б, г) (1) с допол-

нительным скребковым жеватором и ковшом с подвижной задней стенкой;

1 – пневмоколесный одноосный тягач с седельно-сцепным устройством,

2 – скреперное рабочее оборудование:

2.1 – хребтовая балка, 2.2 – гидроцилиндры поворота, 2.3 – гидроцилиндры

подъема-заглубления ковша, 2.4 – заслонка ковша, 2.5 – ковш (с ножевым

режущим органом), 2.6 – подвижная задняя стенка ковша, 2.7 – гидроцилиндр

подачи задней стенки ковша, 2.8 – буферное устройство, 2.9 – колесный ход,

2.10 – гидроцилиндр открытия-закрытия заслонки ковша, 2.11 – нижняя

рама, 2.12 – упряжной шарнир, 2.13 – ножевой режущий орган ковша,

2.14 – загрузочный элеватор

Процесс копания производится при заглублении ковша в грунт и создании тягового усилия передвижения скрепера. При этом ковш скрепера заполняется грунтом объемом в плотном теле:

Q = qKн / Кр,

(6.13)

где q – геометрическая вместимость ковша скрепера, являющаяся его главным параметром.

С целью более полного заполнения ковша скрепера грунтом, характеризуемого коэффициентом наполнения К_н, используется так называемая элеваторная загрузка. При этом в передней части скрепера размещают дополнительное рабочее оборудование в виде скребкового конвейера, имеющего собственный гидропривод. После окончания процесса загрузки ковш скрепера выглубляется, передняя заслонка ковша закрывается. Далее происходит процесс транспортировки грунта к месту отсыпки. Отсыпка производится путем наклона ковша гравитационным способом или принудительно. В последнем случае задняя стенка ковша выполняется подвижной, с приводом от собственных гидроцилиндров. При организации земляных работ скрепер перемещается по замкнутой траектории, условно называемой «эллипсом» или «восьмеркой», на которой имеются участки: загрузки, движения груженого скрепера, разгрузки и холостого хода. Время перемещения скрепера по этим участкам называют временем цикла (Т_ц).

Эффективная работа ЗМ обеспечивается комплектами автоматической аппаратуры, имеющей разное название для каждого вида машин. Основные решаемые задачи: стабилизация положения рабочего органа (для ЗТМ), управление процессом заглубления рабочего органа, а для траншеекопателей – выбор скоростного режима передвижения.

6.4. Основы тягового расчета землеройно-транспортных машин.

В общем случае уравнения тягового баланса рабочего органа ЗМ представляют собой уравнения равновесия рабочего органа в направлениях оси перемещения и подачи. В качестве характеристик грунтов воздействию рабочих органов ЗМ приняты удельные сопротивления резанию и копанию, отражающие реакции среды в направлении его перемещения.

В статической форме уравнение равновесия на ось перемещения выражается следующим образом:

TР.О = ΣWi,

(6.14)

где Т_Р.О – сила тяги на рабочем органе, обеспеченная приводом машины, называемая нагрузочной или тягово-скоростной характеристикой Т_Р.О(V).

Проекцию сил сопротивления на ось перемещения рабочего органа выражают в соответствии с комплексным представлением процесса копания грунта в виде его составляющих (табл. 6.1).

Таблица 6.1

Дата добавления: 2015-07-14