Дорожные машины. Машины для земляных работ - часть 1. Страница 1

ДОРОЖНЫЕ МАШИНЫ. Часть I. Машины для земляных работ. Изд. 3-е, переработ, и доп. М., «Машиностроение», 1972, стр. 504. Авт. Алексеева Т. В., Артемьев К. А., Бромберг А. А. и др.
В учебнике рассмотрены общие вопросы проектирования, расчет рабочих органов машин, привода, ходового оборудования, систем управления и машин в целом. Основное внимание уделено теории и расчету бульдозеров, скреперов, автогрейдеров, высокопроизводительных машин непрерывного действия и машин для уплотнения грунта, так как эти машины имеют наибольшее применение на строительстве автомобильных дорог.
Учебник предназначен для студентов автомобильно-дорожных и политехнических вузов по специальности «Строительные и дорожные машины и оборудование». Табл. 58, идя. 215, библ. 37 назв.
Авторы: Т. В. Алексеева, К. А. Артемьев, А. А. Бромберг, Р. И. Войцеховский, Н. А, Ульянов
Рецензент: Кафедра «ДОРОЖНЫЕ И СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ» Саратовского политехнического института
Выполнение грандиозных и все возрастающих масштабов строительства в СССР, предусмотренных Директивами XXIV съезда КПСС, обеспечивается применением высокопроизводительных строительных и дорожных машин, комплексной механизации и автоматизации строительного производства. В настоящее время создан большой парк разнообразных строительных и дорожных машин, который систематически пополняется новыми более совершенными машинами.
Для выполнения наиболее трудоемких земляных работ в строительстве широко применяются бульдозеры, скреперы, автогрейдеры, экскаваторы и другие машины.
Из года в год увеличивается выпуск землеройно-транспортных машин, одноковшовых универсальных строительных экскаваторов и многоковшовых экскаваторов непрерывного действия. Расширяется номенклатура и производство машин для уплотнения грунтов.
Для конструирования, освоения производства и организации правильной эксплуатации машин для земляных работ требуется большее количество инженерных кадров, подготовка которых осуществляется рядом вузов страны по специальности «Строительные и дорожные машины и оборудование».
Коллективом авторов под руководством А. А. Бромберга был написан учебник «Машины для земляных работ», выпущенный издательством «Машиностроение» двумя изданиями в 1959 и 1964 гг. Настоящее 3-е издание учебника, являющееся частью I общего курса «Дорожные машины», подготовлено коллективом авторов без А. А. Бромберга в связи с его смертью. Материалы, выполненные в прошлых изданиях А. А. Бромбергом, переработаны соавторами,
В отличие от предыдущих изданий в учебник дополнительно включены в кратком изложении основные положения по одноковшовым экскаваторам, по объемному гидроприводу, машинам для гидравлической разработки грунтов и другое.
Материалы учебника 3-го издания переработаны с учетом результатов последних научных исследований, накопленного опыта конструирования и расчета машин. При изложении материала, касающегося отдельных групп машин, указывается их назначение и [асть применения, а также классификация и некоторые кон-уктивные особенности. Необходимое внимание уделено процес-[ взаимодействия рабочих органов и их ходового оборудования рунтом. Вопросы резания, а так же копания грунта некоторыми леройными машинами излагаются с использованием теории дольного равновесия. Уделено внимание выбору гидромехани-ких трансмиссий с использованием основных положений тяго-[ механики, гидравлическим приводам систем управления, а же методам оценки технико-экономических показателей ма-н. Основное внимание уделено определению нагрузок, дейст-эщих в узлах и механизмах машин для расчетов их на проч-ть.
Отдельные главы и параграфы написаны:
§ 6, 7 гл. I; § 29 гл. IV; гл. VI; гл. XI (кроме § 72 и 77); § 88, 90, 91 гл. XIII; гл. XVI — Т. В. Алексеевой.
Гл. II ; гл. III (кроме § 14), § 51 гл. VIII; § 53, 54, 55, 59 гл. IX;
Э, 61, 62, 67, 68, 69 гл. X; § 77 гл. XI; § 92 гл. XIII; гл. XV -А. Артемьевым.
§ 57, 58 гл. IX; § 65, 66 гл. X; § 83, 84 гл. XII; § 85, 86, 87 XIII — Р. И. Войцеховским; § 57 с участием М. А. Кононенко. Предисловие, §21, 23, 24, 25, 26, 27, 28 гл. IV; гл. V; §56 гл. IX;
5, 64 гл. X; § 72 гл. XI; § 78, 79, 80, 81, 82 гл. XII; гл. XVII; XVIII; гл. XIX - Н. А. Ульяновым.
Написанные А. А. Бромбергом: § 1, 2, 3, 8 гл. I; § 14 гл. Ill шестно с К. А. Артемьевым), § 52 гл. VIII — переработан А. Артемьевым; гл. VII — переработана Т. В. Алексеевой;
5 гл I; § 22 гл. IV; гл. XIV — переработаны Н. А. Ульяновым.
ГЛАВА /
ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К МАШИНАМ. ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ МАШИНЫ
§ 1. ЗЕМЛЯНЫЕ РАБОТЫ НА ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Земляное полотно является важнейшей составной частью автомобильной дороги (рис. 1). От*качества земляного полотна зависят эксплуатационная надежность дороги, ее устойчивость и долговечность.
Основными работами при строительстве земляного полотна автомобильной дороги являются возведение насыпей и разработка выемок. Строительство зданий и искусственных сооружений на дорогах также связано с производством земляных работ, но объем их невелик по сравнению с объемом работ по сооружению профиля земляного полотна дороги (рис. 2).
Земляное полотно дороги, прокладываемое в равнинной или холмистой местности при высоте насыпи от 0 до 1,5 м, возводится с использованием грунта, забираемого из боковых резервов, представляющих собой неглубокие выемки, идущие вдоль дороги. При этом грунт перемещается поперек трассы дороги.
Насыпь высотой более 1,5 м может сооружаться из боковых резервов или из ближайших выемок на трассе строящейся дороги, В последнем случае грунт перевозится вдоль трассы строящейся дороги.
Подходы к крупным искусственным сооружениям — мостам, путеводам — отличаются большими объемами земляных работ по возведению насыпей. Эти насыпи обычно сооружают путем укладки грунта, подвозимого из находящегося в стороне от дороги грунтового карьера.
Сооружение насыпи с использованием грунта из близколежа-щих выемок на трассе дороги или из карьера связано с перемещением больших масс грунта. Поэтому для обеспечения строительного процесса наряду с землеройными машинами требуются специализированные машины для транспортирования грунта.
На автомобильных дорогах в равнинной и холмистой местности работы по сооружению насыпей высотой до 1,5 м составляют при* мерно от 50 до 80% всего объема земляных работ, насыпей высо-i от 1,5 до 3 м — от 10 до 15%, а по разработке выемок — не !вышает 8 —11%.
При выборе машин для земляных работ существенное значение ?ет дальность перемещения грунта. Распределение объемов
. 1. Земляное полотно и элементы конструкции автомобильной дороги:
насыпь; 2 — выемка; 3 — поверхность земли; 4 — откос насыпи; 5 — ось дороги; дорожное покрытие; 7 — поверхность материкового грунта; 8 — обочина; 9 — дно юветд; ю — внешний откос кювета; и — бровка кювета; 18 — бровка насыпи
ляных работ по дальности перемещения грунта приведено абл. 1.
Распределение объемов земля пых работ по дальности перемещения грунта в %
Таблица 1 Усредненный объем работ в м3/км Дальность перемещения грунта в м 500—1000 Более Всего 5 000—10 000 1 000—20 000 Уменьшение величины уклонов на дорогах до 2—4% привело к небольшому увеличению объемов земляных работ и средней дальности перемещения грунта. При треугольных канава* Ори трапецеидальных ,    канавах Нагорная канта Рис. 2. Поперечные профили земляного полотна: а — в насыпях высотой до 0,6 м\ б — в насыпях высотой от 0,6 до 1 в — в насыпях высотой от 1 до 6 ж; г — в выемках; д — насыпь на косогоре; е — в пол у насыпи — по-лувыемке на косогорах Земляные работы в железнодорожном строительстве характе-ризуются следующими данными: Усредненный объем земляных работ в .«■" на 1 км пути в равшншой местности................................12 ООО—140 ООО в холмистой местности ................................15 ООО—200 000 Распределение объемов работ в %: с сооружением насыпей................ 70—80 с разработкой выемок................. 20—30 Преобладающая высота насыпей в железнодорожном строительстве не превышает 3 м, а глубина выемок — 2—6 м. Объем земляных работ в равнинной и холмистой местности о данным значительного числа рассмотренных объектов) составит примерно 70% всего объема земляных работ железнодорож->го строительства СССР. Остальное — работы, производимые условиях предгорного и горного рельефа, в основном на скаль- IX грунтах. Сооружение гидростанций характеризуется большим объемом мляных работ, сосредоточенных на одном строительном объекте. Ниже приводятся объемы земляных работ (в млн. мэ) при со-|ужении некоторых гидроэлектростанций с плотинами: Саратовская......................................73 Цимлянская......................................76 Волгоградская ....................................115 Куйбышевская....................................138 Нижнеобская......................................205 Для сопоставления приведены данные об объемах земляных бот (в млн. м3) при сооружении некоторых судоходных каналов: Канал имени Москвы.............. 154 Волго-Донской.................. 194 Панамский канал ................ 186 В гидротехническом строительстве объем земляных работ на км протяженности каналов (табл. 2) колеблется в больших пре-лах в зависимости от назначения канала. Таблица 2 Объемы земляных работ при сооружении каналов Размеры в м Объем выемки В Мг/ПМ Назначение канала Глубина Ширина (по верху) Средние оросительные .......... Магистральные оросительные...... Крупные магистральные и малые судо- одные..................... Крупные судоходные........... До 1,5 До 5 До 12 До 20 До 5 До 20 До 60 До 460 До 3 500 До 50 000 До 400 000 До 2 000 000 Каналы сооружаются преимущественно в выемках, реже в лувыемках — полунасыпях, в основном с поперечным по отио-!нию к оси канала перемещением грунта. Приведенные данные показывают, что работы по сооружению аляного полотна железной дороги в равнинной и холмистой стностях, а также по сооружению средних и магистральных осительных каналов близки по объему работам при автомобиль--дорожном строительстве. Это обстоятельство должно учитываться при проектировании новых машин в целях расширения области их применения. Машины для земляных работ применяются широко в промышленном и гражданском строительстве, в горнорудной промышленности, в сельском хозяйстве и при добыче сырья для промышленности строительных материалов. Общий объем земляных работ в СССР в 1946 г. составил 1,8 млрд. ж3, в 1965 г. — 7,8 млрд. м3, а в 1980 г. увеличится примерно до 24—26 млрд. м?. § 2. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МАШИН Несмотря на большое разнообразие земляных работ и применяемых для их выполнения машин, рабочий процесс состоит в основном из следующих операций: разрушение (или рыхление) грунта в его естественном залегании и извлечение разрушенной части грунта; перемещение грунта к месту укладки в насыпь или в отвал; разравнивание грунта (планировка) и уплотнение его в целях придания необходимой механической прочности и устойчивости; профилирование и отделка земляного сооружения в целях придания выемкам и насыпям строго определенного поперечного и продольного профиля (дороги, дамбы, каналы и др.). По своему технологическому назначению машины для земляных работ могут быть распределены на следующие основные группы: 1)    землеройные машины (экскаваторы, бульдозеры, скреперы, грейдер-элеваторы и струги, автогрейдеры, рыхлители); 2)    транспортирующие машины (автомобили-самосвалы, землевозные тележки, конвейеры, грунтометатели); 3)    грунтоуплотняющие машины (катки, трамбующие машины, вибрационные машины и др.). Землеройными машинами — рыхлителями рыхлят грунт; экскаваторами и грейдер-элеваторами разрабатывают грунт и грузят его в транспортные средства; бульдозерами, скреперами, грейдер-элеваторами и автогрейдерами разрабатывают грунт и перемещают его; бульдозерами, автогрейдерами и скреперами разравнивают и планируют грунт, автогрейдерами выполняют профилировочные работы. Машины, копающие грунт перемещением рабочего органа (отвала, ножевой системы или ковша) при одновременном движении всей машины (бульдозеры, скреперы, грейдер-элеваторы и автогрейдеры), часто называют землеройно-транспортными машинами. Транспортирующие машины перемещают грунт к месту укладки его в насыпь или в отвал. Эти машины работают во взаимодействии с землеройными машинами; наибольшее применение транспортирующие машины имеют при работе одноковшовых экскаваторов, многоковшовых экскаваторов и грейдер-элеваторов. Для транспор-рования грунта наряду с автомобилями-самосвалами обычного па применяются специальные самосвальные землевозные тешки, более приспособленные к тяжелым условиям земляных ра-т, нежели автомобили-самосвалы. Для транспортирования грун-могут применяться ленточные транспортеры и грунтометатели. Грунтоуплотняющие машины уплотняют грунт в насыпи или !го естественном залегании. Наряду с кулачковыми прицепными тками и трамбующими плитами все большее распространение лучают прицепные и самоходные катки на пневматических ши-х, специальные высокопроизводительные трамбующие вибра-онные грунтоуплотняющие машины и машины комбинированно-действия. При строительстве земляного полотна землеройные машины, полняющие основной объем земляных работ, являются основ-ми в комплексе машин, так как они определяют технологию зрганизацию работ. Транспортные, грунтоуплотняющие и вспо-гательные машины должны обеспечить выполнение объема ра-г, определяемого основными машинами. По характеру рабочего режима каждая из рассмотренных ма-[н может быть отнесена к подгруппе машин циклического дей-шя или машин непрерывного действия. Экскаваторы, скреперы, автомобили-самосвалы, землевозы яв-ются машинами, режим работы которых имеет явно выражен* й циклический характер. Грейдер-элеваторы, автогрейдеры, ленточные транспортеры и ^нтометательные машины являются машинами непрерывного ic тв ия. § 3. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К МАШИНАМ, ИХ НАДЕЖНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ При разработке конструкции новой машины или коренной дернизации существующей конструктор доляздн учитывать тструктивные, технологические, эксплуатационные, экономисте, а также социальные требования. Выполнение этих тре-шний обеспечивает высокие эксплуатационные качества ма-ны: производительность, надежность, долговечность, эконо-ческую эффективность, безопасность и удобство управления и ;луживания. Конструктивные требования учитывают основные технико-1С,труктивные параметры машины, ее общую компоновку, проч-;ть и надежность в работе. Эти вопросы решаются путем разра-ки конструкции и проведения различных расчетов — кинема-[еских, динамических, прочностных и т. п., выбора материала, зеделения точности и чистоты обработки, вида термической >аботки, метода упрочнения деталей и т. д. Во время конструи-!ания машины закладываются основы технологии ее изготов-[ИЯ. Требования технологичности конструкции предусматривают простоту и удобство изготовления деталей, сборки узлов и машины в целом и уменьшения стоимости изготовления машины. Широкая унификация деталей и элементов конструкций машин упрощает подготовку и планирование производства, способствует широкому кооперированию производства и облегчает обеспечение машины запасными частями. Четкое разделение машины на узлы (агрегаты) дает возможность вести одновременно сборку различных узлов, производить обкатку, регулирование и испытание каждого узла в отдельности. Рис. 3. Габарит 1-В железнодорожного состава (подвижного)
Требования ремонтной технологичности машины также должны учитываться конструктором. Основными из них являются: удобство демонтажномонтажных работ при замене целых узлов и агрегатов машины; приспособленность узлов и агрегатов к разборке и сборке и технологическая приспособленность конструкции отдельных деталей к восстановлению их при ремонте машины. Требования четкого разделения машины на узлы, унификация и нормализация деталей имеют исключительно большое значение для правильного решения вопроса организации агрегатного ремонта машин. Эксплуатационные требования относятся к будущему применению машины и ее качествам в работе. Машина должна соответствовать своему назначению. В ряде случаев новая машина может вызвать необходимость изменения технологии и организации работ. Габаритные размеры дорожных машин для земляных работ, не работающих в стационарных условиях и перевозимых без разборки по железной дороге, не должны выходить за пределы габа-1 рита 1-В железнодорожного подвижного состава (рис. 3). По длине машина должна устанавливаться на одной или двух железнодорожных платформах. При несоответствии габаритов машины габариту 1-В должна быть предусмотрена возможность демонтажа и монтажа машины с минимальной затратой труда и грузоподъемных средств. Требования мобильности, маневренности и проходимости ма-шины должны учитываться при проектировании машин. Надежность и долговечность машин. Современное развитие строительного и дорожного машиностроения характеризуется непрерывным ростом скоростей, рабочих усилий и давлений, что нводит к увеличению мощности и производительности машин, м выше интенсивность и производительность труда, достигаемые а механизированном, а тем более при автоматизированном про-;се, тем труднее обеспечить надежность работы оборудования :ем больше вероятность, что внезапный выход из строя какой-5о детали, узла или целой машины может свести на нет выгоды, гученные за время нормальной работы. И
За время работы многих машин на их ремонт затрачивают в ;колько раз больше металла, чем они весят, а стоимость всех шнтов иногда в 10 и больше раз превышает стоимость новой пины. Надежность машины — это свойство машины выполнять за-[ные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели аданных пределах в течение требуемого промежутка времени I требуемой наработки. Надежность машины обусловливается безотказностью, ремонтопригодностью, сохраняемостью, а же долговечностью ее частей. Долговечность машины — свойство машины сохранять работо-собность до предельного состояния с необходимыми перерывами t технического обслуживания и ремонтов. Предельное состоя-! машины определяется невозможностью ее дальнейшей эк-уатации, либо обусловленным снижением эффективности, либо бованиями безопасности и оговаривается в технической доку-:тации. Показателями долговечности могут служить, например, ресурс, к службы. Показатели, надежности и долговечности должны быть введены зхнические условия, их следует предусматривать при проекти-ании новых моделей, начиная со стадии технического задания, людать при изготовлении и проверять при эксплуатационных ытаниях. В число таких показателей должны входить гаран-ованные объемы работ (сроки службы) до капитального ре-:та и стоимость всех ремонтных работ за этот срок. Борьба с износом деталей и повышение долговечности машин яются важнейшими народнохозяйственными задачами, так на ремонты и межремонтное обслуживание машин ежегодно ходуются большие средства. Экономические требования — снижение стоимости самой ма-ш и стоимости единицы вырабатываемой ею продукции, ее номическая эффективность, т. е. достаточно быстрая окупае-ть средств, затрачиваемых на создание и практическое внедре-новой машины. Социальные требования — обеспечение безопасности труда эксплуатации машины, благоприятных условий работы ма-[иста (оператора), удобства управления машиной и обслужи-ия ее, автоматизации процессов управления машиной, конт я и учета ее работы, производственной эстетики, т. е. придание [ине красивой внешней формы, выбор цвета окраски и качества отделки машины. При создании новых строительных и дорожных машин эти требования должны быть учтены Особое внимание следует уделить: 1.    Наличию удобного сиденья, хорошего обзора и освещенности рабочего органа и фронта работы. 2.    Устранению вибрации и шума в зоне рабочего места. 3.    Удобству пользования рычагами и педалями; применению прогрессивной системы управления машины, в том числе сервоусилителей и автоматизации. 4.    Наличию и удобному размещению контрольно-измерительной аппаратуры, предохранительных и индикаторных устройств, автоматов-работомеров для учета выполненной работы. 5.    Герметизации и надежной вентиляции кабины управления при работе в запыленной среде. 6.    Соблюдению благоприятного температурного режима и защите водителя от воздействия внешней среды. § 4. ПАРАМЕТРЫ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ МАШИН ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ Технический и эксплуатационный уровень машин для земляных работ определяется специальными показателями — параметрами. Для каждой группы машин устанавливается главный и основные параметры. Главный параметр в наибольшей степени характеризует машину, а основные — дают представление о ее техническом уровне. Для оценки эксплуатационных качеств машины основным показателем является производительность машины, т. е. количество качественной продукции, выдаваемой машиной при определенных условиях в единицу времени (например, количество вынутого, перемещенного и уложенного грунта в л3/ч, площадь уплотненной поверхности в м2/ч, протяженность разработанной траншеи в м1ч и т. д.). Различают производительность теоретическую, техническую и эксплуатационную. Теоретическая (расчетная) производительность машины непрерывного действия /7р = 3600/,p»p м8/ч, где Fp — расчетное поперечное сечение срезаемой стружки или потока материала на ленте конвейера в мг] vp — расчетная скорость движения машины или ленты конвейера в _м!сек. Для машины периодического (циклического) действия производительность П =3-Шмуч, где q — геометрическая емкость ковша в мд\ T4 = t1 + t2 + ... Jrtn — продолжительность цикла в сек, которая, например, для скрепера складывается из времени наполнения, хода с грунтом, разгрузки грунта, порожнего хода, времени на выполнение поворотов и подготовки к следующему наполнению. Техническая производительность машины определяется как :симально возможная производительность в данных условиях : непрерывной работе в течение 1 ч. Для машины непрерывного действия nmex=hKKnp м31Ч< — коэффициент, учитывающий потери грунта при подаче его из забоя на рабочий орган; так, для грейдер-элева-торов kt = 0,88 -н 0,94; к2 — коэффициент, учитывающий необходимость снижения используемой мощности двигателя внутреннего сгорания при его непрерывной и длительной работе; к2 = = 0,9 -f- 0,95; к3 — коэффициент, учитывающий снижение скорости по сравнению с паспортной. Для машины циклического действия (скреперов, автомобилей-эсвалов и др.) техническая производительность Птех = кц1^ПР mSI4’ кц —■ коэффициент, учитывающий отношение теоретической продолжительности цикла к его продолжительности в данных условиях; для предварительных расчетов ки = = 0,75 0,85. кр — коэффициент разрыхления грунта, т. е. отношение объема грунта, поступившего в ковш (или на отвал), к его объему в плотном состоянии, кр — 1,03 -т- 1,35 (для предварительных расчетов можно принимать кр = 1,25); кн — коэффициент наполнения ковша; кн = 0,9 н- 1,1 (для предварительных расчетов можно принимать кн = 1); )ксплуатационной производительностью машины пользуются технико-экономических расчетах, учитывая время работы ины и возможное снижение ее производительности в зависи-и от особенностей системы управления. )бычно пользуются показателем сменной эксплуатационной [зводительности. Так, при 7-часовом рабочем дне 17э. см = 7Птехкеку ms в смену, кв — коэффициент использования машины по времени; ку — коэффициент, учитывающий влияние особенностей системы управления; при ручном управлении ку = 0,82 -f- 4- 0,95; при наличии сервомоторов ку — 0,96 -г- 0,98. коэффициент использования машины по времени ке в данном ае учитывает неизбежные перерывы в течение рабочей смены на подготовительные и заключительные работы, переезды с одного шеста работы к другому, перерывы на заправку топливом, смазку, на крепежные работы и т. п. На основе статистических данных и рекомендаций для предварительных расчетов можно принимать %в = 0,85. Для машин, работающих в комплексе с другими, кв зависит от степени синхронизации работы машин. Коэффициент использования машины по времени может быть применен при оценке степени использования машины в течение месяца, года. Землеройные и другие дорожно-строительные машины используются в течение строительного сезона; поэтому для подсчета годовой производительности машины или годовой выработки продукции на одного рабочего и для подсчета ряда других техникоэкономических показателей необходимо знать число смен работы машины в году. Годовая производительность П _ ГГ т k год э.см год год) где Тгод — число смен работы машины в году; кеод — коэффициент использования машины, учитывающий снижение производительности машины в зависимости от времени года (морозы, снегопад, распутица и т. п.) и от количества укороченных предвыходных и предпраздничных дней. Для землеройных машин принимается 200—300 рабочих смен в году. Придание машине конструктивных качеств, уменьшающих зависимость от климатических условий, ведет к повышению ее тех-нико-экономических показателей. Уточнение понятия о технической и эксплуатационной производительности машин дает возможность остановиться на удельных показателях энергоемкости, металлоемкости и трудовых затратах при работе машины, т. е. пользоваться такими удельными показателями, которые при сравнении между собой позволяют достаточно объективно судить о преимуществах той или иной машины. Удельная энергоемкость машины ^ид~тт- квт/(м3 в смену), . э* СМ где N — мощность установленного двигателя (или нескольких двигателей машины с многомоторным приводом). Удельная металлоемкость машины GVd = i— кГ/(м3 в смену), *-*э.см где G — вес машины в кГ. Производительность труда — часовая, сменная или годовая )аботка продукции на одного рабочего. Выработка на одного ючего в смену П _Пв. см ,.3 11 Уд--]Г~ м . Р0 — число машинистов или водителей, обслуживающих машину в течение смены. Часто пользуются показателем затрат труда в человеко-часах единицу продукции. В целях укрупнения этого показателя менительно к условиям земляных работ можно принимать эаты труда на 1000 ж-3 объема земляных работ D 1000РП "vd~~n- чел.-смен. "a. cjvt Комплексная механизация осуществляется группой машин. I объективной оценки эффективности ведущих машин их покажи надо соизмерять с учетом работы вспомогательных машин, , всего комплекта машин в целом. Цля комплекта машин удельные показатели примут вид ^уд = ТГ^- квтЦм3 в смену); С    G кГ/(м3 в смену); ^ £1Э.СМ    иэ.см П д =    м3 (на 1 чел.-смену), Р0 — общее количество рабочих, занятых на группе машин. Себестоимость единицы продукции при работе одной машины С = Cmlcm pyfj/M^ С м. см — себестоимость одной машино-смены в руб. 1ри работе комплекта машин С — ^'м• см1П1 ^м■    ~f См. см ini pyQ jM з ° См-смЧ’ СM.cvi ~~ себестоимость машино-смен ма шин разных типов, входящих в комплект; nL, и2, ..., пх — количество машин каждого типа в комплекте. тоимость одной машино-смены необходимо знать для проведе-любых технико-экономических расчетов, при составлении и планов механизированных и автоматизированных строи-шх работ. Стоимость машино-смены показывает, во что об-гся строительству работа данной машины (или комплекта ма-в течение одной рабочей смены, стоимость машино-смены входят расходы: Восстановление первоначальной стоимости машины и ее гальный ремонт (амортизация). 2.    Содержание машинопрокатных баз. 3.    Транспортирование машины, демонтаж и мошаж ее. 4.    Техническое обслуживание и все виды ремонтов, кроме капитального. 5.    Эксплуатационные и вспомогательные материалы, инструмент и приспособления. 6.    Энергоресурсы — топливо, электроэнергия. 7.    Заработная плата машинистам, водителям и рабочим, обслуживающим машину. Анализ материалов Главдорстроя показывает, что в среднем на каждого машиниста или водителя приходится 0,5 рабочих, связанных с обслуживанием и текущим ремонтом машин. Все эти затраты по характеру их влияния на стоимость машино-смены можно разбить на следующие характерные группы: 1.    Затраты, исчисленные на год работы машины. 2.    Затраты, исчисленные на машино-смену. 3.    Заработная плата машинистов (водителей) за смену. В соответствии с этим стоимость машино-смены определяется п _Сгод I п I р М.СМ Т ^ ~г СЛ1 1 3’ где Сгод — затраты в течение года на амортизацию машины и затраты, учитывающие стоимость доставки машины на строительство, монтаж и демонтаж, возведение вспомогательных устройств (например, подкрановых путей), перестановку несамоходных машин в пределах строительного объекта и т. п.; Тгов — число смен ра.боты машины в году, Ссм — сменные эксплуатационные затраты, исчисленные непосредственно на машино-смену, а именно: стоимость электроэнергии, топлива, затраты на все виды ремонтов (кроме капитальных), затраты на замену быстроизнашиваемой оснастки (кабеля, пневмомашины, стального каната, транспортерных лент и т. п.), затраты на смазочные и обтирочные материалы и др.; С3 — заработная плата машинистов (водителей) в течение смены. § 5. ТИПАЖИ МАШИН ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ Основой технического прогресса машиностроения в СССР и в том числе в отрасли строительного, дорожного и коммунального машиностроения является плановое развитие конструкций комплекса машин на базе перспективного типажа. Последний предусматривает создание таких машин, которые должны отвечать современным требованиям и полностью обеспечивать потребности народного хозяйства в прогрессивной строительной технике. Перспективный типаж разрабатывается с учетом достижений куки и техники, прогрессивной технологии и новейших методов )нструирования и эксплуатации машин. Базируется он на широ- 6)

г)

1C. 4. Самоходные колесные строительные и дорожные машины на одноосных тягачах: — скрепер; б — струг; в — землевоз; г — грейдер-элеватор; 9 — каток; е — битумовоз; ж — неповоротный стреловой кран; з — цементовоз )й унификации агрегатов, узлов и механизмов, нормализации и андартизации деталей, что позволяет осуществить крупную [ециализацию машиностроительных заводов, увеличить серийный гауск машин и снизить их стоимость. В качестве примера показана агрегатная компоновка самоходных колесных машин на базе одноосных колесных тягачей, позволяющая создать различные виды седельного оборудования для землеройных, дорожных, строительных и транспортных работ с максимальной унификацией основных узлов и механизмов (рис. 4). Для каждой группы машин для земляных работ установлены главные и основные параметры, которые заложены в основу типажей. Например, для колесных тягачей главным параметром является мощность двигателя, для бульдозеров — номинальная сила тяги, для скреперов — емкость ковша и т. д. Если для катков на пневматических шинах согласно типажу главным параметром является его вес с балластом, то к числу основных параметров относятся: число колес, конструктивный вес и класс трактора, установленный по номинальной силе тяги. При конструировании машин необходимо принимать во внимание требования, предъявляемые условиями эксплуатации-. Поскольку колесные тягачи являются базовыми машинами, то очевидно, что их параметры должны удовлетворять требованиям, которые предъявляются создаваемыми на их базе строительными и дорожными машинами. Так, основные требования, предъявляемые к одноосным колесным тягачам, сводятся к следующему: 1)    одноосный тягач должен реализовать силу тяги, определяемую условиями сцепления пневматических шин колесного движителя с грунтом при максимальной вертикальной нагрузке на ось и при отборе мощности двигателя на привод вспомогательных механизмов ; 2)    передаточное число трансмиссии тягача на первой рабочей передаче должно быть подобрано из условий обеспечения эффективной работы самоходного скрепера с толкачом при копании грунта; 3)    одноосный тягач должен длительное время устойчиво работать на рабочих передачах на тяговом режиме, близком к максимальной тяговой мощности, и иметь при этом высокий тяговый к. п. д. и хорошую топливную экономичность; 4)    самоходные машины на одноосных тягачах должны обладать высокими скоростными качествами, а также высокой маневренностью, проходимостью при движении на транспортном режиме по бездорожью и пересеченной местности и устойчивостью. Если одноосные тягачи будут удовлетворять комплексу перечисленных требований, то, естественно, они будут обладать и универсальностью, диктуемой их назначением. Унификация узлов и агрегатов дает возможность увеличить серийность их, специализировать машиностроительное производство и за счет этого снизить стоимость и упростить эксплуатацию машин. § 6. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТА ЗЕМЛЕРОЙНЫХ МАШИН НА ДИНАМИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ Узлы и элементы всех землеройных машин подвергаются воз-йствию двух видов нагрузок — постоянных (весовые нагрузки) переменных (сопротивление грунта на рабочем органе, сопротив-ние перекатыванию и др.). Постоянные нагрузки, относящиеся к статическим, не изме-[ются по времени и, как правило, не вызывают колебаний си-емы. Переменные нагрузки являются динамическими и обяза-льно вызывают упругие колебания конструкции. Расчет землеройных машин и их элементов в настоящее время основном производится на условия статического нагружения, а :намические нагрузки и их влияние на прочность и устойчивость 1шины или системы учитываются только в особых случаях, этом случае при расчетах на прочность землеройных машин лыпинс1во переменных нагрузок для упрощения схемы нагру-зния условно принимают постоянными. Пользуясь приемами атики сооружений и сопротивления материалов и вводя для очнения расчета так называемые коэффициенты динамичности , производят расчет элементов конструкций и отдельных узлов шины на прочность. Ниже рассматриваются особенности специфических нагруже-[й землеройных машин различных видов при статических нагруз-х. Применяемые при этом коэффициенты динамичности, получен-ie, как правило, по экспериментальным данным, не могут харак-ризовать степени влияния тех или иных факторов на динамиче-ие нагрузки, не раскрывают сущности динамичности воздейст-я и являются довольно ориентировочными коэффициентами за-са. Однако в некоторых случаях при расчете эти коэффициенты ражают специфичность динамических нагружений. Учитывая современные требования к надежности элементов нструкции, к металлоемкости машин, к динамической устойчи-сти отдельных систем, возникает необходимость расчета и про-рки машин в отдельных случаях на действительные динамические гружения. Динамические нагрузки в элементах и узлах землеройных ма-1н возникают в процессе выполнения ими рабочих движений иклических и непрерывных). Каждому виду движения свойственны определенные динами-екие процессы. При непрерывном движении доля неустановив-тхся режимов незначительна. Поэтому при расчетах многоков->вых экскаваторов, грейдер-элеваторов и других землеройных шин с непрерывным режимом работы вопросы динамических счетов не имеют большого значения и обычно не производятся. Характерным примером циклического движения, а следователь-, и циклического нагружения являются рабочие процессы одно-вшового экскаватора или некоторых видов землеройно-транспортных машин (скреперы, бульдозеры). В каждой операции, связанной с движением землеройной машины, есть разгон, установившееся движение, торможение, остановка. При исследовании динамических процессов следует рассмотреть соответствующую расчетную схему, включающую: привод, муфты включения, предохранительные устройства, упругую цепь с соответствующими жесткостями и массы (сосредоточенные или распределенные), находящиеся в движении. При этом должны быть установлены граничные условия расчетной схемы. При изучении динамики машины ставятся следующие задачи: а)    исследование движения машины или ее отдельных узлов под действием приложенных сил с учетом их изменения во времени; б)    определение условий, при которых обеспечивается заданный закон движения; в)    определение действительных нагрузок, возникающих на рабочих органах и в элементах 'конструкции с учетом характера колебательных процессов, возникающих в передачах и металлических конструкциях машин при наличии зазоров в элементах систем и действии фрикционных и упругих связей. В соответствии с принципами динамики землеройную машину следует рассматривать как систему твердых тел, соединенных упругими и фрикционными связями, которая (или ее часть) находится в движении под действием сил движущих и сил сопротивления. Для примера на рис. 5 представлены эквивалентные динамические схемы бульдозера и скрепера. Для анализа динамики подобной системы их движение описывается системой уравнений, количество которых должно быть равно количеству сосредоточенных масс. Последовательным обоснованным приближением (приведением масс, жесткостей, моментов инерций и т. п.) сложную систему можно свести к одномассной (для бульдозеров) или двухмассной (для скрепера, экскаватора) системе с жесткими или упругими элементами. Расчетная схема для исследования динамических процессов, соответствующих каждой операции или движению, должна обязательно включать в себя динамику привода и динамику самой механической системы. На рис. 6 даны принципиальные расчетные схемы для исследования динамики некоторых механизмов одноковшового экскаватора. Каждый динамический процесс можно характеризовать колебательными изменениями параметров расчетной схемы. Расчет подобной системы сводится к составлению дифференциальных уравнений при определенных граничных условиях и решению их при заданных начальных условиях. Порядок системы дифференцированных уравнений общей расчетной схемы, включающей привод и механизм, определяется слом степеней свободы механической системы и порядком си->мы дифференциальных уравнений, описывающих работу при-ца машины. В подавляющем большинстве приводов современных землерой-х машин имеются фрикционные муфты включения, которые мно-^ратно включаются и выключаются (особенно у машин циклич- Рис. 5. Эквивалентные динамические схемы: бульдозера; б— скрепера; Ме, Мф, Мф, Мфг и Мк — крутящие моменты; Jt, Jn — моменты инерции отдельных деталей; Гф Т, Рк и Pj— силы взаимодействия кителей и рабочего органа с грунтом; т, тр 0, т mn, и — массы частей машины и грунта; С , Сп — жесткости элементов. -о действия), что приводит к работе системы в переходных режи-е, в неустановившемся движении. Периоды включения и вык-чения муфт характеризуются значительными изменениями скорей скольжения. Выключение может быть причиной возникно-[ия автоколебаний системы, которые приводят к значительному шшению напряжений в элементах конструкции. Как показывают исследования и расчеты, напряжения в эле-нах металлоконструкций рабочего оборудования одноковшового экскаватора с ковшом емкостью 0,5 м3 с учетом динамических нагружений превышают напряжения от статических нагрузок в зависимости от положения рабочего оборудования (вылет, наклон стрелы и т. п.) при разгоне в 1,65—5,1, а при торможении — в 2,5—5,9 раза. Значительные повышения напряжений в элементах конструкции машины и рабочего органа определены также при динамических нагружениях в землеройно-транспортных машинах по сравнению со статическими нагрузками (для бульдозера в 8,1 — 8,7 раза, для скрепера в 2,2—5,2). Рис. 6. Принципиальные расчетные схемы при исследовании динамики: о — рабочего оборудования экскаватора; б — поворотного механизма экскаватора. На величину напряжений при динамических нагрузках влияют параметры колебательных движений (амплитуда, частота, дискри-мент затухания и др.), характеристика упругих элементов в системе, а также зазоры между частями конструкции. Динамическое состояние системы при необходимости может быть установлено при рассмотрении конкретной характеристики привода к механической части системы машины. § 7. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕОРИИ ПОДОБИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ Создание новых и совершенствование выпускаемых тяжелых землеройных машин возможно при использовании новых методов исследования, испытания и выбора оптимальных параметров, а также оценки их технического уровня. Использование теории подобия и моделирования при исследовании и испытании землеройных машин, при необходимости обобщения соответствующей накопленной информации по землеройным машинам в значительной степени может облегчить, а в некоторых случаях более обоснованно решить вопрос планирования научно-технического прогресса и прогнозирования развития землеройной техники с учетом качественного уровня показателей машин. Теоретические основы подобия и моделирования, начало ко-|Ым положил акад. В. JI. Кипричев, разработаны достаточно 'боко, и работы в этой области получают в настоящее время рокое распространение. Большие работы в области приложения теории подобия и раз-»ностей для решения ряда практических задач в различных об-тях техники в настоящее время выполнены акад. Л. И. Седовым, |ф. д-ром техн. наук П. М. Алабужевым и другими учеными. Возможность применения методов подобия при изучении реза-[ грунтов сельскохозяйственными плугами была указана акад. П. Горячкиным и проф. Н. Д. Лучинским. Моделирование зем-ойного оборудования при изучении процессов резания было ользовано в работах проф. д-ра техн. наук Н. Г. Домбров-го, проф. д-ра техн. наук А. Н. Зеленина. Моделированию щессов резания грунтов посвящены работы проф. д-ра техн. гк Ю. А. Ветрова, проф. д-ра техн. наук В. И. Баловнева и др. Теория подобия и моделирование являются эффективным средам интенсификации научно-технического прогресса. Знание ос-ных положений теории подобия и моделирования необходимо кенеру-конструктору и исследователю землеройных машин : возможности прогнозирования их развития, для обоснованной нки различных вариантов. Теория подобия и моделирование [яются как бы связующим звеном между теорией и экспери-[том. При использовании теории подобия можно без больших рат средств и времени определить, как ставить опыт, как абатывать опытные данные и как обобщать и распространять [ученные результаты на другие объекты. Располагая опытным образцом машины и принимая ее за мо-ь, можно на основании теории подобия сравнительно легко ько вычислением найти параметры для серии подобных машин, [но так же, располагая данными о наличии динамического подо-: процесса и используя теорию подобия, можно распространить ультаты единичного эксперимента на другие процессы анало-ных машин. Теория подобия основывается на свойствах подобных явлений становлении их подобия. Она может быть широко применена [ научном прогнозировании, при создании новых землеройных пин, при патентовании и т. п. В количественном и качественном отношениях подобие явле-[ определяется равенством безразмерных величин, называемых [териями подобия. Критерии подобия nit П2, ..., Пп в общем чае рассматривают как среднюю величину отношений физиче-х или экономических показателей, существенных для анали-уемых систем. Объекты могут быть подобны в стохастическом смысле (при ;дественно равных плотностях вероятностей соответствующих териев), в детерминированном смысле (при равенстве детерми-ованных критериев или условном равенстве средних значений соответствующих критериев). В некоторых случаях допускается приближенное подобие. Тогда степень нарушения подобия оценивается критериями согласия [12]. Критерии подобия можно составить из определенных уравнений или используя размерности величин, входящих в уравнение движения. Моделирование представляет собой осуществление явления, подобного «натуре». К моделированию следует прибегать: а)    когда необходимо исследовать труднодоступный или недоступный для непосредственного исследования объект; б)    когда необходимо исследовать вновь запроектированный, но еще не осуществленный объект. Теория моделирования базируется на подобии процессов и рассматривает методы построения моделей. Моделирование без изменения физической природы изучаемого явления называется физическим. Моделирование, основанное на применении электронных вычислительных машин, называют математическим. В последнее время появилось физико-математическое моделирование, которое представляет собой сочетание принципов физического v математического моделирования. В этом случае в схему стенда, осуществляющего физическое моделирование, включается электронно-вычислительная машина. Для изучения землеройных машин могут применяться геометрическое, физическое и физико-математическое моделирование. Два явления (процесса) или объекта (машины) подобны, если соблюдается: а)    геометрическое подобие, т. е. пропорциональность линейных размеров натуры и модели (I, х, у, z п т. д.) и равенство соответствующих углов (а, (5, у и т. д.) Ал; _ %м ___ Ум    ___ ^ . Iн Я'ч Ун zh С* ®к> Рл[    Ум ~ Ун [индекс н — натура (оригинал), индекс м — модель]; б)    физическое подобие, т. е. подобие физических (кинематических, динамических) параметров процесса или среды: скоростей — pJcVc;
ри тнан "'С м __ Р М^М    tWcVc__J.2 я работы мощности
/V    Р V    / — Pc*c^cj н г нип 1с ! lc\ vc; tc — соответственно коэффициенты подобия по линейным размерам, скорости, времени; т — массы; а — ускорения; рс — отношение плотностей; тс — отношение масс. Таким образом, при увеличении скорости (числа оборотов) зое, силы и работы в новом режиме должны быть повышены i раза, а мощности в 8 раз; в) инвариантность системы дифференциальных уравнений, т. е. кдественность явлений сравниваемых систем. По признакам полноты и точности воспроизведения изучаемых эцессов моделирование может быть полное, неполное (частич-?) и приближенное. При неполном моделировании исследуемые эцессы подобны только частично, или во времени, или в прост-гстве. Приближенное моделирование допускается тогда, когда (ельные факторы, заведомо влияющие, но не оказывающие су-ственного действия на протекание процессов, моделируются згближенно или даже совсем не моделируются. Приближенное моделирование на основе ограниченного числа ятериев подобия значительно облегчает условия проведения ;ледований. Относительная погрешность приближенного моде-эования по сокращенной системе критериев не превышает По данным В. И. Баловнева, приближенное физическое модели-*ание процессов резания, копания и рыхления грунтов при метрическом подобии системы возможно при соблюдении сокра-нного варианта системы критериев: cw — сцепление грунта; уг — объемный вес грунта; g — ускорение свободного падения. При переходе от параметров модели к оригиналу можно ноль-;аться зависимостями 1С — отношение определяющих линейных размеров; Nк; NM — мощность соответственно оригинала и модели. При моделировании процессов без изменения свойств среды унта), когда основные критерии не соблюдаются гегчаются условия предварительных экспериментов. Минималь* й линейный размер модели рабочего органа землеройной ма-ны определяется из условий допустимого объема грунта и допу-мои ошибки измерения. За последнее время для моделирования переходных процессов стали применяться электронно-вычислительные машины непрерывного и дискретного действия (ЭВМ), способные осуществлять математическое моделирование исследуемых процессов. Изучение процессов в реальной системе при этом заменяется исследованием процессов в некоторой электронной схеме, которая описывается теми же дифференциальными уравнениями, что и исходная схема. Для инженера-исследователя ЭВМ является не столько средством вычислительной математики, сколько экспериментальной установкой с очень широкими возможностями, позволяющими имитировать любые ситуации, вплоть до аварийных. С помощью математического моделирования в настоящее время решаются задачи по определению динамической прочности элементов рабочих органов и трансмиссий, по исследованию сложных систем приводов и управлений и др. Роль математического моделирования еще более возрастает в связи с разработкой систем автоматического регулирования' работы землеройных машин. Математическое моделирование, в зависимости от типа использованной ЭВМ, может быть аналоговое (ЭАВМ) и цифровое (ЭВЦМ). Для моделирования динамических систем на ЭАВМ необходимо предварительно провести ряд подготовительных операций, к которым относятся: 1)    составление блок-схемы электронной модели; 2)    выбор масштабных коэффициентов (времени, входных и выходных переменных систем); 3)    воспроизведение начальных условий и внешних воздействий. Для примера рассмотрим процесс подготовки к исследованию на ЭАВМ модели бульдозерного агрегата, движение которого описывается дифференциальным уравнением вида m% + kaeMr,av = PT — WK, где т — масса агрегата; v — скорость перемещения агрегата; кдеМПф — коэффициент демпфирования; РТ — сила тяги, развиваемая агрегатом; WK — сопротивление копанию бульдозера. Набор дифференциального уравнения на ЭАВМ можно осуществить, понижая или повышая порядок производной. В первом случае исходное уравнение решается относительно высшей производной и схема для его решения составляется с помощью интегрирующих блоков. Во втором случае исходное уравнение решается относительно низшей производной, схема для его решения собирается из дифференцирующих блоков. Первый вариант предпочтительнее, поскольку интегрирующие схемы более стабильны. При моделировании на ЭАВМ зависимые переменные представляются напряжением, а независимая переменная — временем. жду реальными переменными исследуемого процесса и напря-нием существует пропорциональность, определяемая маснгга- Для установки начальных условий используется эталонное гряжение. После отработки модели можно приступить к иссле-тниям. При этом переменные процессы могут быть записаны (точувствительным осциллографом или сфотографированы с эк-га электронного осциллографа. Порядок дифференциальных уравнений, решаемых на ЭАВМ, эеделяет выбор типа машины. Распространенная аналоговая ма-на МН-7 решает уравнения до 6-го порядка, МНБ-1 — до
о порядка. Для решения уравнений до 16-го порядка и выше жет быть применена машина высшего класса — МН-М. Рис. 7. Схема стенда для физико-математического моделирования: 1 — двигатель; 2 — трансмиссия; 3 — движитель; 4 — рабочий орган; 5 — исполнительный механизм (цилиндр); Z и г|? — управляющие возмущения; / (t) — воздействие внешней среды; пе — обороты двигателя внутреннего сгорания; пк — обороты ведущего колеса; va — скорость перемещения агрегата; Ме и — крутящие моменты на валу двигателя и на ведущем колесе; Рк— сопротивление копанию; h — толщина срезаемой стружки; 6 (i) — буксование движителя; е — управляющий сигнал При исследовании сложных систем обычно стремятся сначала произвести модель линеаризованной системы, а позднее услож-гь ее введением нелинейных зависимостей. При исследовании землеройных машин перспективно исполь-ание физико-математического моделирования. Оно может быть )ведено на стенде, выполненном с соблюдением физического (обия процессов и параметров, с применением электронной ана-'о-вычислительной машины для математического моделирования [более сложных элементов процесса. Физико-математическое 1елирование процессов, выполняемых землеройными машинами, спехом применяется во ВНИИСтройдормаше, МАДИ, СибАДИ ;ругих институтах. В подавляющем большинстве случаев про-с взаимодействия рабочего оборудования машины со средой ггируется на физической модели, а процессы, характеризующие юту двигателя, трансмиссии, ходового оборудования машины, ^тируются посредством математического моделирования на М. Принципиальная схема подобного стенда представлена на :. 7. Понятие о новой технике в машиностроении охватывает: выпуск машин перспективного типажа; создание новых и усовершенствование существующих конструкций выпускаемых машин; модернизацию оборудования, уже находящегося в эксплуатации; механизацию и автоматизацию работ и процессов; унификацию и нормализацию типов, узлов и деталей машин. Внедрение новой техники дает экономический эффект в той или иной форме, снижение себестоимости и трудовых затрат, повышение качества продукции, экономию капитальных вложений, сокращение продолжительности строительства и оздоровление условий труда. Эффективность новой техники может быть определена только в сравнении с эталоном; в качестве эталона выбирается наиболее экономичная машина из применяемых до внедрения новой техники. Определение экономических результатов внедрения новой техники производится расчетным путем после всестороннего изучения конкретных условий ее будущего применения, ее преимуществ и недостатков. Расчеты производятся в следующем порядке: выбирается эталон; устанавливается перечень показателей и их величины, соизмеряются показатели эталона и рассматриваемой машины (или мероприятия); устанавливается объем внедрения новой техники и общий размер экономического эффекта; определяется коэффициент эффективности (или срок окупаемости). Экономическую эффективность внедрения новой техники наиболее наглядно, характеризует срок окупаемости капитальных вложений или соответствующий ему коэффициент эффективности дополнительных капитальных вложений. Определение сроков окупаемости (Ток) или коэффициентов эффективности (Е) дополнитёльных капитальных вложений производится по формуле гр    Кп Кэ    Су[),э Суд,н ок~ Сув.э-Суд~'    Кп-к3 ' где Кн и Ка — удельные капитальные вложения по сравниваемым машинам (Кн — новой машины, Кэ — машины, принятой за эталон); Судэ и СуЭ н — себестоимости единицы продукции (С д э — эталон, Судн — новой машины). В дорожном строительстве при оценке эффективности внедрения новой техники принимается нормативный срок окупаемости для новых машин 6 лет, что соответствует значениям коэффициентов эффективности Ен = 0,17 для новых машин. Если экономический расчет показывает более короткий срок окупаемости новой техники по сравнению с нормативным или более высокое значение коэффициента Е, дополнительные капитальные граты, связанные с применением новой или модернизирован-й техники, можно считать экономически обоснованным. Вместо сопоставления новой и старой машины могут быть составлены показатели двух или нескольких вариантов машин ли комплектов) в целях выбора варианта, дающего наибольшую ономическую эффективность. Годовой экономический эффект составляет Эеод = [(Суд.э ^уд. и) Ен (Кн /£.,)] Пгод, е Ен — нормативный коэффициент эффективности; Ен = 0,17; Пго9 — годовая производительность новой машины. В том случае, когда количество машино-смен в году может гть увеличено за счет усовершенствования конструкции, техно-гии или организации работ или по климатическим условиям, оимость машино-смен снижается за счет расходов, не зависящих числа машино-смен в году и называемых поэтому «постоянными». iK, например, при увеличении числа смен в году для автомобилей-мосвалов с 200 до 300 стоимость одной машино-смены снижается 15-20%. При определении стоимости проектируемой машины Цн можно льзоваться данными об удельной стоимости выпускаемых серий- машин Цуд — ^ в руб. за 1 Т. Зная вес проектируемой маяны GH и удельную стоимость Цуд машины, близкой по сложности объему годового выпуска (по серийности) к проектируемой, 1Жно в первом приближении определить ее примерную стои->сть Цн = Цуд(^и РУб- После этого может быть в первом приближении определена и оимость машино-смен проектируемой машины. Рассмотренные выше удельные показатели могут быть на пер-м этапе проектирования использованы для сравнения между бой вариантов отдельных машин или комплектов с существую-ими машинами или комплектами машин. Основные положения годики сравнения технико-экономических показателей комплек-в машин заключаются в следующем: 1.    Машины должны рассматриваться в сопоставляемых и в 1иболее характерных для каждой из них условиях технологии организации работ. 2.    Транспортные и вспомогательные машины, работающие в шплекте с основными землеройными машинами, должны быть яты в количествах, определяемых производительностью основах машин. 3.    Удельная энергоемкость должна быть определена с учетом 'ммарной мощности всех машин, входящих в комплект; то же носится и к определению удельной металлоемкости. 4. При определении стоимости продукции и экономической эффективности необходимо учитывать суммарную стоимость ма-шино-смен всего комплекта машин, включая стоимость тягачей и вспомогательного оборудования, а также учитывать влияние стоимости эксплуатации и ремонта сравниваемых машин или комплектов. На каждом этапе проектирования конструктор может влиять на улучшение технико-экономических показателей будущей машины. G    кГ Показатель удельной металлоемкости ■=-- —5--- должен .    Пэ. СМ Л3 в смену м улучшаться путем выбора целесообразной компоновочной схемы машины, проведением углубленных прочностных расчетов, выбором рациональной формы металлоемких деталей, исследованием действительных напряжений в элементах конструкции и т. д. n    N    кет    - Показатель энергоемкости процесса —-- - может быть Г Пэ.см м в смену улучшен путем выбора наиболее эффективного рабочего органа машины. Для снижения удельной энергоемкости необходимо выбирать прогрессивную трансмиссию и систему управления, обладающих высокими к.п.д. Показатель производительности труда -~-р-    (где 2Р0 — число рабочих) можно улучшить путем повышения скорости рабочих процессов и автоматизации управления. Применительно к машинам циклического действия наибольшие резервы для повышения производительности прежде всего могут быть найдены при сокращении продолжительности цикла. Снижение себестоимости единицы продукции Суд является важнейшей задачей конструктора, которая может быть достигнута: 1)    снижением стоимости машины и ее капитальных ремонтов путем существенного повышения надежности и долговечности машины, применением сменного рабочего оборудования, типовых узлов и агрегатов; 2)    исключением необходимости демонтажа и монтажа машины при перевозках, повышением мобильности ее, так как все это сокращает расходы на транспортирование; 3)    приданием машине качеств, позволяющих увеличить количество рабочих смен в году, т. е. уменьшить зависимость машины от климатических условий; 4)    автоматизацией системы управления машины. ГЛАВА II ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРУНТОВ § 9. КЛАССИФИКАЦИЯ ГРУНТОВ Землеройные и грунтоуплотняющие машины во время работы заимодействуют с грунтом. Рабочий орган землеройной машины азрабатывает грунт и убирает его из забоя. Грунтоуплотняющая ашина, действуя на грунт, изменяет его плотность. Гусеницы ли ходовые колеса машин и грунт постоянно взаимодействуют, 'аким образом, свойства грунтов представляют существенный ин-эрес при рассмотрении вопросов их разработки и уплотнения, также для изучения движения машин по поверхности грунта. Грунты- являются сложными дисперсными телами, состоящими ри положительной температуре из трех или двух фаз: твердой, ;идкой и газообразной или твердой и жидкой. Грунты, состоящие з твердой и газообразной фаз, в природных условиях встречаются едко. При отрицательной температуре в состав грунта входят е только минеральные зерна, вода и газы, а также и лед. Свойства каждой из фаз, количественные соотношения и взаи-одействие между ними определяют специфическую физическую химическую природу грунтов и их строительные свойства. Для оценки фазового состава грунтов применяются характерна гики, которыми выражают количественные отношения между эъемами твердых минеральных частиц, воды и газа. Прочностные характеристики грунтов во многом зависят от >става грунта, т. е. от относительного содержания в нем частиц 13ЛИЧН0Й крупности, а также от плотности и влажности его абл. 3). Песчаные грунты обладают высоким коэффициентом внутреннего трения, малосвязаны, хорошо водопроницаемы, малосжимае-ы, имеют небольшую высоту капиллярного поднятия, непластич-л, при увлажнении незначительно снижают сопротивление >грузкам. Движение машин по сыпучим пескам затруднено. Песчаные пылеватые грунты могут быть характеризованы как 1лосвязные, непластичные и водопроницаемые. Особенностью ой группы грунтов является то, что они легко разжижаются и ряют несущую способность при увлажнении. Супесчаные грунты содержат в небольшом количестве глинистые частицы, что придает связность этим грунтам. Значительное содержание песчаных частиц создает жесткость скелета, поэтому супесчаные грунты при повышении влажности больше, чем глинистые, сохраняют устойчивость. Таблица 3 Дорожная классификация грунтов - Содержание фракций по весу в % Название грунта песчаных с частицами диаметром от 2,0 до 0,0э мм пылеватых с частицами диаметром от 0,05 до 0,005 ли 1 глинистых с частицами диаметром менее 0,005 Песчаный......... Песчаный пылеватый . . Супесчаный........ Больше 50% (частицы диаметром от 2,0 до 0,25 мм) Меньше, чем песчаный Супесчаный мелкий . . . Меньше 50% (частицы диаметром от 2,0 до 0,25 мм) Пылеватый........ Больше, чем песчаных Суглинистый ....... Больше, чем пылеватых Тяжелый суглинистый Суглинистый пылеватый Больше, чем песчаных Глинистый ........ Супесчаные мелкие грунты содержат большое количество пылеватых частиц, что делает их неустойчивыми в увлажненном состоянии. Эти грунты малопластичны и при увлажнении легко деформируются. Пылеватые грунты при увлажнении переходят в состояние плывунов и резко снижают сопротивление нагрузкам. Легко размываются водой, склонны к пучинообразованию. Суглинистые грунты пластичны, обладают большой связностью в сухом состоянии, но быстро теряют ее при увлажнении. Тяжелые суглинистые грунты. Свойства связности, пластичности, сжимаемости и низкой водопроницаемости выражены сильнее, чем у суглинистых грунтов. Глины обладают большой связностью, плотностью и пластичностью. Практически водонепроницаемы. Глины, суглинки и супеси относятся к группе глинистых грунтов. 33
2 Алексеева, Артемьев В природных условиях грунты могут иметь различное физиче-*ое состояние: песчаные — от плотного до весьма рыхлого, гли-истые — от твердого до текучего. Для оценки грунтов, как среды для земляных работ, необхо-нмо знать их свойства и состояние. Пористостью грунтов называется объем пор (занятых водой и >здухом), выраженный в процентах от общего объема грунта: 100 = ТТГ100%’ п = 1
Д (1 + 0,01со)
(в А — удельный вес твердых частиц в Г/сма\ уг — объемный вес влажного грунта в Г/см3', со — весовая влажность в %; е — коэффициент пористости. Коэффициент пористости — отношение объема пор (занятых >дой и воздухом) к объему твердых частиц грунта: .. _ п _ А (1+0,01(0) _ , 100-и    уг Весовая влажность — отношение веса воды g2 к весу сухого зунта gx: со = £*100%. Грунты считаются сухими, если водой заполнено не более з объема пор; влажными — при заполнении от 1/s до 2/3 объема эр и мокрыми — при большем заполнении пор водой. Объемный вес — отношение веса грунта при естественной влаж-эсти g0 к его объему V: V„ = ^-    (1) Объемный вес грунтов обычно колеблется в пределах 1,5^ 0 Т 1м3 в зависимости от минералогического состава, пористости влажности. Объемный вес оказывает существенное влияние на iтрату энергии при подъеме и транспортировании грунта. Объемный вес скелета грунта 6 ==_?£—. (2) Объемным весом скелета обычно пользуются при определении епени уплотнения грунта. Наибольшая плотность грунта, полученная методом стандарт-зго уплотнения, называется максимальной стандартной плот-)Стыо 6maxi а соответствующая ей влажность — оптимальной гажностыо (Оопт. Оптимальная влажность — это влажность, при которой максимальная плотность грунта может быть достигнута при наименьшей затрате механической работы. Удельным весом грунта А называется отношение веса твердых частиц грунта к объему вытесненной ими жидкости. Удельный вес большинства минералов, входящих в состав грунта, колеблется от 2,4 до 2,8 Т 1м3, удельный вес железосодержащих минералов достигает 4 77л*.3, а органических веществ 1,2—1,4 Т/м3. Пластичностью называют способность грунта под действием внешних сил изменять свою форму без изменения объема. Глинистые грунты находятся в пластичном состоянии в пределах влажностей, характеризующих границу раскатывания и границу текучести. Границей раскатывания (пределом пластичности) сор называют весовую влажность (в процентах), при которой тесто, изготовленное из грунта и воды и раскатываемое в жгут толщиной 3 мм, начинает крошиться. Границей (пределом) текучести «>?п называют весовую влажность теста, изготовленного из грунта и воды, при которой стандартный прибор — «балансирный конус» погружается под действием собственного веса 76 Г за 5 сек на глубину 10 мм. Угол конуса при вершине равен 30°. Числом пластичности со,, называют разность между границей текучести итраницей раскатывания: По числу пластичности    грунты    подразделяются следующим образом: Грунт    Супесь    Суглинок Глина Число пластичности    1 — 7    7—17 Более 17 Консистенция-связных грунтов в зависимости от содержания воды может меняться в значительных пределах — от текучей до твердой. Количественное выражение консистенции глинистых грунтов определяется показателем консистенции где сое — естественная влажность грунта. Значения показателя Б для различных консистенций глинистых грунтов - приводятся ниже: Твердая консистенция Менее 0 0-0,25 0,25-0,50 0,5-0,75 0,75-1,00 Более 1,00
Полутвердая ..... Тугопластичная . . . Мягкопластичная . . Текучепластичная . . Текучая ....... За рубежом консистенция глинистых грунтов в последнее время определяется по пределу прочности цилиндрического образца Р кГ/см2) при сжатии его вдоль оси до раздавливания согласно еле* ующим пределам: (чень мягкая 1ягкая . . . . реднежесткая . . Менее 0,25 Жесткая....... 1-2 2-4 Более 4
. . 0,25—0,50 Очень жесткая . . . . . . 0,5—1,0 Чрезвычайно жесткая Липкость — способность грунта прилипать к различным пред-ютам — свойственна большинству пластичных грунтов при до-таточной влажности и малом содержании песка, т. е. для супеси, углинков и глин. Усилие, затрачиваемое при резании грунта на ;реодоление налипания грунта на режущий орган (сила налипа-:ия), определяется 'де рл — удельное налипание, для глин рл = 700 -н 800 кГ/м2 и для суглинков рл — 500 -н 700 кГ/м2; F — площадь поверхности соприкосновения рабочего органа машины с грунтом в м2. Водопроницаемостью называют способность грунта пропускать оду (дренировать). Водопроницаемость зависит от гранулометри-еского состава и объема пустот. § 11. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ Разрыхляемостью называют способность грунта увеличиваться : объеме при разработке. При разрыхлении уменьшается объем-[ый вес грунта. Коэффициент разрыхления кр характеризует от-юшение объема разрыхленного грунта к объему, который он анимал в естественном залегании. С течением времени разрыхлений грунт уплотняется, но сохраняет некоторую остаточную раз->ыхленность. Средние значения коэффициента разрыхления кр колеблются t пределах 1,08—1,32, а коэффициент остаточного разрыхления — ! пределах 1,01—1,09. Большие значения относятся к тяжелым рунтам. Коэффициенты разрыхления мерзлого грунта примерно оответствуют коэффициентам разрыхления взорванных скальных юрод и колеблются в пределах 1,5—1,6. Чем больше при разруше-[ии грунта размеры отдельных его кусков, тем меньше коэффи-щент к-p. Поэтому величина его уменьшается с увеличением рабо-[его органа машины и зависит от типа грунторазрабатывающего фгана. Сопротивление грунта сдвигу. В расчетах землеройных машин I их рабочих органов используют коэффициент внутреннего тре-1ия грунта [а2 = tg ф2 и коэффициент сцепления грунта С, обус-ювливающие сопротивляемость грунтов сдвигу. Связность грунта зависит главным образом от его грануломет-шческого состава, влажности и плотности. В песках, даже влаж-1ых, связность проявляется в незначительной степени^ и поэтому эти грунты относят к несвязным. Супеси можно отнести к малосвязным грунтам. Связность особенно становится заметной у суглинков и глин, поэтому последние относят к грунтам связным. В основу сопротивления грунтов сдвигу положен закон Кулона о прямолинейной зависимости предельного сопротивления грунта сдвигу т от нормальных напряжений: т = о tg ф2 + С = 0(J,2 + С, (3)
где [Л2 — коэффициент внутреннего трения; С — коэффициент сцепления грунта при сдвиге в кГ/см2; а — нормальные напряжения в кГ/см2. Для грунтов, не обладающих сцеплением С = 0 (например, сухие пески), указанная формула принимает вид т = ар2. Внутреннее трение грунтов характеризуется величиной угла внутреннего трения ср2, танген» которого равен коэффициенту внутреннего трения tg tp2 = р2. кГ/см2 о Рис. 8. Зависимость угла внутреннего трения от влажности
1,2
0,2 0,6 1,0 Коэффициент вадонасыщения Рис. 9. Зависимость сцепления от коэффициента водонасыщения (степени уплотнения) и влажности: 1 И = 8,9%; 2 — о) = 13,7; 3 — to = - 15,9; 4 — ш = 19,2; 5 — со = 25,8% Сопротивляемость грунта сдвигу зависит от скорости сдвига. Инж. В. Л. Казарновским получены следующие выводы для суглинистых грунтов: угол внутреннего трения зависит от влажности и уменьшается с ее увеличением. Как показано на рис, 8, увеличение влажности более 10—12% приводит к резкому уменьшению угла внутреннего трения. Сцепление грунта при одной и той же влажности повышается с повышением плотности, а при одинаковой плотности понижается с увеличением влажности (рис. 9). Предел уплотнения грунта при данной влажности в условиях механизированного уплотнения на 'производстве практически наступает при коэффициенте водонасыщения, равном единице. Коэффициент водонасыщения характеризует степень заполнения пор грунта водой. Свойства грунтов в большей степени зависят от их состава и состояния. Учитывая это, ориентировочные значения угла внутреннего трения ф2 и коэффициента сцепления С приводим (по данным Н. Н. Маслова) для песчаных грунтов в зависимости от их плотности в табл. 4, для глинистых грунтов — от их консистенции — в табл. 5, для растительных грунтов — от их влажности — в габл. 6. Объемный вес уг принят в водонасыщенном состоянии. Таблица 4 Характеристика песчаных грунтов в зависимости от их плотпости Грунт Вид грунта Средней плотности Плотный Средней плотности Плотный Мелкозернистый . . . Среднезернистый . . . Крупнозернистый . . С гравием и галькой Таблица 5 Характеристика глинистых грунтов в зависимости от их консистенции Консистенция грунта Глина Суглинок Супесь Твердая....... Полутвердая .... Тугопластичная . . Мягкопл астичная Текучепластичная Текучая ....... Угол естественного откоса. При отсыпке с некоторой высоты разрыхленный грунт откладывается в виде конуса. Угол у осно-таъя конуса называется углом естественного откоса ф0. Угол естественного откоса зависит от вида грунта и его влаж-юсти и обусловливается углом внутреннего трения фг и коэффициентом сцепления С. G4 sin фо ==s ii2G4 cos ф0 + CF, где G4 — вес частицы грунта в кГ/см2; F — площадь соприкосновения частицы грунта с плоскостью откоса в см2. Устойчивость откоса обеспечена при нарушении сцепления, На — te Фа ^ tg Фо- Если разрыхленный грунт лежит на горизонтальной плоскости, совершающей вертикальные колебания, то угол его естественного откоса будет меньше, чем на плоскости, находящейся в состоянии покоя. Этот Таблица б Характеристика растительного грунта в зависимости от их влажности Состояние грунта Уг в Т/м* в эр ад к Г/смг Мокрый ..... Влажный .... Сухой ...... 1,7 1,6 1,2—1,5
угол в инженерной практике носит название угла естественного откоса в движении. Данные об углах естественного откоса, в покое приведены в табл. 7. Коэффициент трения грунта о сталь цц зависит от вида и состояния грунта, а также от поверхности стали. Величина его колеблется от 0,25 до 1, увеличиваясь при неровной поверхности стали, и зависит от влажности грунта, нормального давления на грунт и характера сложения грунта (нарушенное, ненарушенное). Таблица 7 Углы естественного откоса насыпных грунтов в град Грунт Состояние грунта Грунт Состояние грунта Сухой Влажный Мокрый Сухой Влажный Мокрый Г равий....... Мелкий песок..... Галька ....... Жирная глина..... Крупный песок . . Суглинок, тощая глина
<<< Предыдущая страница  1     Следующая страница >>>


1 A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z 
А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я