Машины для земляных работ. Страница 1

МАШИНЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ
МАШИНЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ
Под общей редакцией д-ра техн. наук, проф. Н. Г. Гаркави
Допущено
Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебника для студентов втузов, обучающихся по специальности «Строительные и дорожные машины и оборудование»
МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1982
Н. Г. Гаркави, В. И. Аринченков, В. В. Карпов, 3. Е. Гарбузов, А. И. Батулов, В. М. Донской Б Б К 38.623 М38 УДК 621.87
Рецензенты кафедра строительных машин Киевского инженерно-строительного института (зав. кафедрой д-р техн. наук, проф Ю А. Ветров); д-р техн. наук, проф Н. Я. Хархута (Ленинградский политехническим институт) Машины для земляных работ: Учебник/Гарка-М38 ви Н. Г., Аринченков В. И., Карпов В. В. и др.; под ред. Н. Г. Гаркави.—М.: Высш. школа, 1982.— 335 с., ил. В пер : 90 к. В книге изложены основы теории рабочих процессов и расчета машин для земляных работ; содержатся сведения о принцигиальных особенностях кожпрукций машин, применяемых в промышленном, гражданском и мелиоративном строительстве Рассмотрены перспективные направления развития этих видов машин Учебник, предназначенный для студентов механических специальностей инженерно строительных и автомобильно дорожных вузов, может быть использован студентами политехнических институтов а также инженерно-техническими работниками, связанными с производством и эксплуатацией машин дтя земляных работ ББК 38.623 6С6.08
© Издательство «Высшая школа», 1982 Настоящая книга написана в соответствии с программой курса «Машины для земляных работ», утвержденной Министерством высшего и среднего специального образования СССР в 1975 г. Начиная с 1975 г. было создано несколько учебников по указанному курсу: под редакцией профессоров Т. В. Алексеевой, Ю. В. Ветрова, Н. Г. Домбровского, А. Н. Зеленина. Каждый учебник отличается как по характеру освещаемого материала, так и по методике изложения. Эти различия, как правило, обусловлены характером науч-но-исследовательских работ, ведущихся коллективом авторов, особенностями учебного процесса в конкретных вузах, а отчасти и личными воззрениями авторов. Учебники этих ученых ориентированы в основном на студентов, специализирующихся в области конструирования машин для земляных работ. Настоящий же учебник предназначен в первую очередь для студентов, специализирующихся на модернизации и ремонте машин. Главное внимание при этом обращено не на принципы конструирования, а на рабочие процессы машин, нагрузки, возникающие при их эксплуатации, особенности устройства наиболее слабых узлов и т. п. В учебнике нет описания конкретных машин, их технико-экономических характеристик. Поскольку при модернизации машин возникает необходимость в проверочном расчете их элементов, авторы стремились доступно изложить современные методы расчета. При этом предполагается, что читатели учебника уже знакомы с общими принципами устройства и расчета машин по курсам «Детали машин», «Теория машин и механизмов», «Гидропривод» и др. Учебник рассчитан не только на студентов, чо и инженеров, занимающихся усовершенствованием и эксплуатацией землеройных машин. Отдельные главы учебника написали: предисловие, гл. 1 и 11 — д-р техн. наук, проф. Н. Г. Гаркави; гл. 4, 8 и 10 — канд. техн. наук В. И. Аринченков; гл. 2, 9 и 14 — канд. техн. наук А. И. Батулов; гл. 7 — канд. техн. наук 3. Е. Гарбузов; гл. 5, 12 и пример расчета — инж. В. М. Донской; гл. 13 — канд. техн. наук В. В. Карпов. Гл. 3 написана В. В. Карповым совместно с 3. Е. Гарбузовым, а гл. 6 — В. И. Аринченковым и 3. Е. Гарбузовым. Авторы учебника выражают глубокую благодарность коллекти-' ву кафедры строительных машин Киевского инженерно-строитель-ного института под руководством д-ра техн. наук, проф. Ю. А. Ветрова и д-ру техн. наук, проф. Н. Я- Хархуте за их очень денные и благожелательные замечания и советы по улучшению качества книги. Авторы ГЛАВА 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МАШИНАХ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ Наиболее распространенным и трудоемким видом строительных работ являются земляные. Часто эти работы длятся несколько месяцев и определяют общий срок готовности строительного объекта. Машины для выполнения земляных работ прошли длинный и сложный путь развития. Одной из первых машин этого вида была многоковшовая паровая землечерпалка с двигателем мощностью 15 л. с., построенная на Ижорском заводе в 1812 г. под руководством инж. А. Бетанкура. За рубежом такие землечерпалки появились 18 лет спустя. В 1836 г. механик В. Отис (США) построил первый паровой одноковшовый экскаватор с ковшом вместимостью 1,14 м3; по принципу выполнения рабочего процесса этот экскаватор можно считать прототипом современных машин. Производительность его составляла от 30 до 80 м3/ч. До начала широкого строительства железных дорог и крупных заводов первые экскаваторы не получили широкого применения. В 1842 г. мировой парк их состоял лишь из семи машин, четыре из которых использовались на строительстве железной дороги Петербург—Москва. В 1875 г. был построен первый грейдер-элеватор, а в 1887 г. — прицепной грейдер. Обе эти машины работали на конной тяге. В Советском Союзе в годы первой пятилетки на Ковровском заводе был налажен выпуск первых железнодорожных экскаваторов с ковшом вместимостью 1,9—2,3 м3. Там же одновременно готовились к выпуску гусеничных экскаваторов с ковшом 1,5 м3. Производство машин для земляных работ до второй мировой войны было ограниченным. Так, в 1932 г. парк экскаваторов СССР состоял лишь из 106 машин. Массовый выпуск землеройных машин в СССР был начат в 1935—1940 гг. С 60-х годов почти весь огромный объем земляных работ выполняется с помощью машин. Например, в 1980 г. строители располагали около 180 тыс. одноковшовых экскаваторов, 50 тыс. скреперов, 180 тыс. бульдозеров, что в десятки, а по отдельным машинам в сотни раз больше, чем в 1940 г. Годовое производство основных машин для земляных работ увеличилось за период с 1960 по 1980 г. по экскаваторам более чем в 3 раза, бульдозерам в 4 раза, скреперам почти в 5 раз. В 1980 г. предприятия Минстройдормаша выпустили более 37 тыс. экскаваторов, 46 тыс. бульдозеров, около 10 тыс. скреперов. Качество и параметры современных машин для земляных работ несравнимы с машинами 1940-х годов. Средняя единичная мощность одноковшовых экскаваторов и бульдозеров выросла за десятую пятилетку на 14%, скреперов — на 10%. На стройках появились новые более производительные машины: универсальные гидравлические одноковшовые экскаваторы, многоковшовые экскаваторы для разработки траншей в мерзлых грунтах, скреперы с ковшом 15 м3, новые типы бульдозеров и рыхлителей и т. п. Многие советские машины, выпускаемые в последние годы, соответствуют требованиям мировых стандартов. В постановлении ЦК КПСС и Совета Министров СССР «О дальнейшем развитии машиностроения в 1978—1980 гг.», принятом в 1978 г., было предусмотрено, в частности, создать и освоить производство машин и оборудования с производительностью в 1,5—2 раза выше по сравнению с уровнем 1975 г. и повысить долю продукции высшей категории качества до 30%. Срок службы машин до первого капитального ремонта предложено увеличить: по автогрейдерам— до 5 тыс. ч, по скреперам и бульдозерам на гусеничном ходу — до 6 тыс. ч. Новые большие задачи по совершенствованию конструкций и повышению производительности строительных машин поставлены XXVI съездом КПСС, состоявшемся в феврале 1981 г. Теоретической основой разработки рабочих процессов землеройных машин являются труды русских и советских ученых по теории резания грунтов. Большой вклад в развитие этой области науки внесли акад. В. П. Горячкин, профессора Н. Г. Домбровский, Ю. А. Ветров, А. Н. Зеленин, А. Д. Далии, С. Р. Петерс, Н. Я. Хар-хута и др. В послевоенный период в СССР обширные научно-исследова-тельские работы по созданию новых машин для земляных работ ведут ВНИИ строительного и дорожного машиностроения, ВНИИ землеройных машин, а также ученые Московского, Киевского и Ленинградского инженерно-строительных институтов, Московского, Сибирского, Харьковского автодорожных институтов и многие другие. В последние годы при проектировании машин для земляных работ применяют вероятностные способы, учитывающие условия применения машин, физического и математического моделирования, позволяющие выбрать оптимальные параметры рабочих процессов и на их основе создавать высокоэффективные машины. Производством машин для земляных работ заняты многие заводы нашей страны. Наряду со специализированными предприятиями средней мощности их выпускают и такие гиганты, как Ижорский завод им. А. А. Жданова, Уральский завод тяжелого машиностроения. Мощности предприятий отечественного землеройного машиностроения дают возможность полностью обеспечить строителей необходимыми машинами высокого качества. §1.1. Классификация машин Технологический процесс земляных работ состоит из нескольких основных и вспомогательных операций. К основным относят разработку грунта, его транспортирование, укладку в земляные сооружения или отвал, горизонтальную планировку участков под сооружения и уплотнение. Такие же операции, как подготовка грунта к разработке (рыхление, водопонижение), устройство стенок, ограждающих котлованы и т. п., считают вспомогательными. Условия производства земляных работ в нашей стране чрезвычайно разнообразны. Они различаются состоянием грунта, климатическими и метеорологическими особенностями места выполнения, степенью сосредоточенности (количество разрабатываемого грунта на единицу длины или площади объекта работ) и интенсивности (количество грунта, разрабатываемого в единицу времени). Земляные сооружения (насыпи, котлованы и т. п.) имеют самые различные конструкции и размеры. Технология'и организация производства работ, соответствующие их условиям, также весьма различны. С учетом этого создано много типов и размеров машин для земляных работ. Основные машины для земляных работ по характеру рабочего процесса можно разделить на ряд групп: землеройные машины, которые отделяют грунт от массива и перемещают его за счет энергии своего двигателя. При этом расстояние, на которое перемещается грунт, определяется размерами конструктивных элементов машин. К группе землеройных машин относят экскаваторы различных типов: землеройн о-т ранспортные машины, разрабатывающие грунт под действием тягового усилия, т. е. только во время движения. В эту группу машин входят бульдозеры, скреперы, грейдеры, грейдер-элеваторы. Дальность перемещения грунта, как правило, не зависит от размеров конструкций машин и определяется технико-экономическими соображениями; погрузочные машины, к которым относят прежде всего фронтальные погрузчики, соединяющие в себе черты землеройных и землеройно-транспортных машин; они могут копать грунт как стоя на месте, так и в движении; машины для гидравлической разработки грун-т а, отрывающие его от массива и транспортирующие с помощью энергии воды (гидромониторы, землесосы и землесосные снаряды); грунтоуплотняющие машины — различные катки, трамбующие и вибрационные машины. Вспомогательные машины, обеспечивающие работу основных машин, также подразделяют на несколько групп. К ним относят: машины для подготовки площадки к работе основного оборудования (корчеватели, кусторезы, камнеуборочные и другие машины); м а ш и н ы для подготовки грунта к разработке —рыхлителц. В эту же подгруппу входят и буровые машины, с помощью которых бурят шпуры для рыхления плотных и мерзлых грунтов взрывом; машины и оборудование для водопо-нижения и водоотлива, обеспечивающие работу основных машин при высоком уровне грунтовых вод. Некоторые машины могут выполнять разнохарактерные работы. Так, бульдозерами можно готовить площадки и сооружать нааыпп, т. е. выполнять как вспомогательные, так и основные работы. Рабочий процесс всех машин может протекать непрерывно или циклично. В первом случае машины (например, экскаваторы непрерывного действия, землеройные струги, средства гидромеханизации) работают при установившемся режиме, во втором— периодически чередуются рабочие операции — копание, перемещение грунта, холостой ход и т. д. Циклично работают одноковшовые экскаваторы и погрузчики, скреперы и др. У некоторых машин цикличного действия отдельные операции рабочего цикла протекают при установившемся режиме (например, копание и перемещение грунта грейдером). У таких машин, как одноковшовые экскаваторы, бульдозеры, скреперы, каждая операция цикла совершается при неуста-новившемся режиме. Каждая машина состоит из пяти групп элементов,'сочетание ко-торых определяет собой конструкцию машины в целом. К этим элементам относят: рабочее оборудование, непосредственно выполняющее технологическую операцию (например, разработку грунта); силовое оборудование (двигатель), являющееся источником энергии для приведения в движение элементов машин; базовое и ходовое оборудование, позволяющее объединить все элементы машин в единое целое (рама), передвигать ее и передавать давление на опорную поверхность; передаточные механизмы (трансмиссии), передающие энергию двигателя рабочему и ходовому оборудованию; система управления, служащая для включения и выключения отдельных механизмов машины и ее двигателя. Последовательность и способ передачи движения от двигателя к механизмам машины показывают на ее кинематической схеме, а взаимное расположение элементов машины и связь между ними — на конструктивной схеме. Машины классифицируют с учетом типов их элементов. Рабочее оборудование различают по конструктивному устройству, определяемому рабочим процессом машины, и размерам (например, вместимостью ковша экскаватора). Размерами рабочего оборудования определяется в конечном счете мощность машины, конструкция ее элементов и основные технико-экономические показатели в целом. Различают машины универсальные, имеющие несколько видов рабочего оборудования, и специальные — обычно только с одним видом рабочего оборудования. Специальные машины, как правило, бывают более мощными. Машины могут иметь в качестве основного привода электрические двигатели или двигатели внутреннего сгорания. Применяют и комбинированные приводы (например, дизель-электрические). Все машины для земляных работ имеют ходовое оборудование, которое может быть автомобильного типа, специальным пневмоко-лесным, гусеничным, плавучим, шагающим. Передаточные устройства (трансмиссия) могут быть механическими, гидравлическими, пневматическими, электрическими. Часто они представляют собой комбинации различных типов. В зависимости от систем управления различают машины с ручным и автоматическим управлением, а от средств управления — с механическим, электрическим, гидравлическим, пневматическим или комбинированным. Все машины по назначению подразделяют на классы. Машины для земляных работ образуют один класс. Этот класс состоит из групп, в которые включают машины с одинаковыми рабочими процессами. Группы машин для земляных работ были перечислены ранее. Внутри каждой группы машины делят на типы, различающиеся конструкциями основных элементов. Например, в группу землеройно-транспортных машин включены бульдозеры, скреперы и другие машины. Типоразмеры машин различаются внутри типа своими техническими характеристиками (например, вместимостью ковша, мощностью двигателя). В СССР машины классифицируются по производственно-отраслевому назначению в соответствии с общесоюзным классификатором промышленной и сельскохозяйственной продукции. В этом классификаторе каждой машине присвоен шестизначный индекс. Земляные работы могут выполнять различные машины. Для сравнения их в табл. 1.1 приведены соответствующие данные. Таблица 1.1 Усредненные технико-экономические показатели способов производства земляных работ различными группами машин Показа!ели Взрыв на выброс Гидромониторы и землесосы Земснаря Скреперы Бульдозе Экскаваторы с перевозкой грунта авго-трансп0р10м Экскава горы, работающие в о гнал Дальность транспортирования грунта, ч Стоимость раз 1000— 2000 1000— 2000 2000—3000 работки 1 м3, руб. Производитель--ость труда на человека: 0,0085— 0,25 0,17—0,95 1000 м3/год 12,5— 23 1 м3/см. Удельный рас-|Д энергии на ;зработку 1 м5 унта, кВт-ч 1,0— 1,5 § 1.2. Общие требования к машинам и их основные технико-экономические показатели Эффективность использования машин для земляных работ, как и других строительных машин, будет наивысшей в тех случаях, когда они выполняют наибольшие объемы работ при наименьших затратах. Обобщенной характеристикой эффективности использования машины являются приведенные затраты на выполнение единицы продукции. Этот показатель является решающим для выбора варианта использования машин, обоснования экономии, получаемой от внедрения новой машины и других технико-экономических расчетов. В общем виде приведенные затраты выражают формулой Цлр=Цг0Л+ЕпК,    (1.1) где Ягод — расчетная себестоимость годового обьема продукции машины; Ен — нормативный коэффициент эффективности капиталовложений (в соответствии с СН 423—71 £н = 0,12); К—капиталовложения на создание машины. Эффективная работа машины характеризуется тем, что приведенные затраты имеют минимальное значение. Для этого необходимо, чтобы производительность машин была максимальной; затраты времени и других ресурсов на перемещение машин между объектами работ должны быть минимальными, а расход энергии, эксплуатационных материалов, инструментов при работе машин, а также затраты времени и других ресурсов на ремонты и технические обслуживания машин — наименьшими; управление машинами должно быть простым, а количество машинистов — минимальным. Перечисленные положения являются наиболее общими основными требованиями к машинам. Их можно объединить в три группы: производственные, транспортные и надежностные. Все требования к машинам, входящим в группу производственных, направлены на повышение производительности машин. Повысить производительность машин можно также путем лучшей организации их использования, но это направление в настоящей книге не рассматривается. Задача повышения производительности машин при их проектировании заключается в отыскании таких конструктивных решений, которые при неизменных величинах основных параметров обеспечивают большую производительность проектируемой машины по сравнению с существующими. Эту задачу можно решить при выполнении следующих основных производственных требований: 1)    путем применения на машине передовой технологии. Это значит, например, что рабочие органы имеют рациональную геометрическую форму, оптимальные скоростные режимы и т. п.; 2)    наибольшего соответствия рабочего оборудования машины условиям ее работы — физико-механическим характеристикам грунтов, размерам забоев и др. Учитывая то, что условия использования машин для земляных работ часто меняются, это требование ю выполнить довольно трудно. Машина, созданная для каких-то определенных условий, не всегда может использоваться эффективно, так как эти условия не соблюдаются постоянно даже на одном объекте работ. Возникает необходимость универсализации машин, в основном за счет снабжения их сменным рабочим оборудованием; 3) конструкция машины должна полнее соответствовать условиям ее использования — северным, тропическим и т. д. Машина, специально спроектированная для работы в специфических условиях, более надежна при эксплуатации в этих условиях, чем любая другая. Кроме того, в ней можно создать более комфортные условия для обслуживающего персонала, что способствует повышению производительности. Конструкция машины должна соответствовать требованиям эргономики, которые заключаются в основном в обеспечении безопасности труда при эксплуатации машины, благоприятных условий труда машиниста, удобства управления машиной и ее обслуживания, автоматизации процессов управления машиной, контроля и учета ее работы. Форма машины должна отвечать современным требованиям производственной эстетики: иметь красивые внешние формы, хорошую отделку и стойкую окраску. Проведенные исследования показали, что выполнение эстетических требований способствует повышению производительности. Транспортные требования при проектировании машины заключаются в обеспечении минимальных затрат времени и других ресурсов на транспортирование машин. Эти требования наиболее важны для небольших машин, выполняющих рассредоточенные работы. Основным транспортным требованием является высокая мобильность машины. Под мобильностью понимают способность машины после окончания работ на одном объекте быстро перемещаться на новый объект и за короткое время начать там работу. Машина должна обладать высокой скоростью перемещения и проходимостью. Кроме того, затраты ресурсов на подготовительные и вспомогательные работы при транспортировании машин (монтажно-демонтаж-ные, погрузочно-разгрузочные и др.) должны быть минимальными. Требуемая величина транспортной скорости машины не может быть однозначной. В принципе, чем она выше, тем машина лучше. Однако для увеличения транспортной скорости ее требуется применять специальное ходовое оборудование, уменьшать ее массу, увеличивать мощность двигателя. Например, транспортная скорость в 30—40 км/ч обеспечивается у пневмоколесных машин при удельной мощности 9—12 кВт/т. Для выполнения же рабочих операций такая удельная мощность, как правило, не требуется. Поэтому приходится недоиспользовать мощность двигателя при выполнении основных рабочих операций или устанавливать два двигателя — рабочий и транспортный. Проходимость машин, под которой понимают способность их передвижения без принятия каких-либо специальных мер по дорогам и вне их, подразделяют на геометрическую и тяговую. Геометрическая проходимость характеризует соответствие геометрических параметров машины (ширины пути перемещения, радиусов кривых и других), соответствующим показателям машины. Тяговая проходимость определяет возможность движения машины, обладающей определенными тяговыми свойствами по конкретным дорогам. Эта возможность может лимитироваться продольным уклоном дороги, несущей способностью ее покрытия, коэффициентом сцепления его с движителем и другими величинами. Чрезвычайно важными являются требования надежности: безотказность, ремонтопригодность машин и другие их качества. Подробно эти требования рассматриваются в других дисциплинах. При разработке требований к машинам для земляных работ необходимо учитывать, что они обычно работают в тяжелых условиях рассредоточенного строительства, бездорожья, с большими динамическими нагрузками. Технико-экономические показатели любой машины зависят от ее параметров, т. е. неизменных количественных характеристик, определяемых конструкцией машины и от условий эксплуатации, которые могут быть случайными. Важнейшим технико-экономическим показателем машины является ее производительность, измеряемая количеством продукции, вырабатываемой в единицу времени. Различают три вида производительности: теоретическую, техническую и эксплуатационную. Теоретическая производительность определяется при расчетных скоростях рабочих движений, нагрузках и условиях работы в непрерывном режиме. Величину теоретической производительности землеройной машины определяют в м3/ч по формулам, приведенным ниже. Для машин непрерывного действия /7о=3600<7р'Ур, (1.2)
где <7Р — расчетное количество грунта, перемещаемого единицей длины его потока, например на ленте конвейера (транспортера) или на цепи цепного экскаватора, м3/м; vp — расчетная скорость движения потока грунта (например, скорость движения ленты транспортера), м/с. Для машин циклического действия (1.3)
nQ^=3600q'p/ta, где qv' — расчетное количество грунта, разрабатываемого или перемещаемого за один цикл, м3; tn — расчетная продолжительность одного цикла, с. При определении теоретической производительности машины за расчетные принимают наиболее характерные условия из тех, на которые ее рассчитывают. Расчетные нагрузки принимают в соответствии с нормальным рабочим режимом, а расчетные скорости определяют по нагрузкам при максимальном использовании мощности двигателя. Теоретическая производительность является условным модулем и применяется для сопоставления машин различных видов и типов. Техническая производительность машины характеризует максимальное количество продукции, которое может быть получено ею в конкретных условиях. Эта производительность является наивысшей, достигаемой рабочими, полностью овладевшими передовыми методами труда при непрерывной работе. При ее определении учитывают лишь минимальные величины конструктивнотехнических и технологических перерывов (для заправки горючим, технического обслуживания, смены рабочего оборудования, передвижения в забое и т. п.). Таким образом, техническая производительность является пределом возможностей машины в конкретных условиях, который невозможно превзойти без изменения конструкции машины. Эту характеристику применяют в основном для комплектования машинных комплексов, а также для оценки возможностей машин. Эксплуатационная производительность машины — это объем продукции в час, смену, год, получаемый реально при правильной эксплуатации машины работниками средней квалификации с учетом перерывов в работе, которых трудно избежать даже при правильной организации работ. Эксплуатационную производительность применяют при расчете норм выработки. Годовая эксплуатационная производительность является директивной нормой выработки, и по ней определяют плановые задания для строительных организаций. Поскольку условия работы машины случайны, эксплуатационная производительность является тоже случайной величиной. Если известны вероятности появления различных условий работ, то можно вычислить математическое ожидание эксплуатационной производительности. Обычно этот параметр рассчитывают по ранее полученным фактическим данным с необходимой корректировкой на изменившиеся условия работ. Повысить эксплуатационную производительность машины можно двумя путями: организационными мероприятиями, уменьшающими потери рабочего времени, и конструктивными решениями, улучшающими технологический процесс. К конструктивным решениям относят улучшение приспособленности машины к конкретным условиям за счет использования сменного рабочего оборудования, специальных конструкций узлов, микроклимата кабины и т. п. Рациональная конструкция машины позволяет улутчшить технологию работ. Например, если конструкция автогрейдера допускает разворот отвала на 180°, то исключаются технологические перерывы на возвращение машины задним ходом к месту начала работ. Производительность машин в значительной степени зависит от их технических показателей, которые характеризуют конструкцию машин Важными параметрами машины являются размер ее рабочего органа — вместимость ковша экскаватора, скрепера, длина отвала бульдозера, от которых зависят производительность и другие показатели машины. Мощность установленных на машине двигателей в значительной степени определяет производственные возможности машины. Удельная мощность на единицу массы или размера рабочего органа достаточно четко характеризует техническую производительность машины. Различают конструктивную, рабочую и транспортную массы машины. Рабочая масса равна сумме конструктивной (сухой) массы и массы полной заправки горюче-смазочных материалов, экипажа и всего того, что необходимо для работы машины. Транспортная масса обычно равна рабочей. В самоходных и прицепных колесных машинах рабочая масса ограничена допустимыми осевыми нагрузками (ГОСТ 8314—59). У гусеничных машин рабочая масса их ограничивается допустимыми удельными давлениями на грунт. Для перевозимых машин масса ограничивается грузоподъемностью транспортных средств. При увеличении массы машин сверх допустимых пределов приходится разбирать машины при их перебазировании. Конструктивное совершенство машин характеризуется удельной массой, отнесенной к единице производительности, мощности или размерам рабочего органа. Ориентируя машиностроителей на выпуск более совершенных машин, XXVI съезд КПСС потребовал от конструкторов уменьшения массы машин для экономии конструкционных материалов и улучшения технико-экономических характеристик машин. Эффективность использования машин зависит от их рабочих размеров, которые определяют положение рабочих органов в пространстве (например, высота копания грунта экскаватором). С увеличением рабочих размеров растут потребляемая мощность и масса машины. Вследствие этого рабочие размеры назначают минимально необходимыми для эффективного выполнения машиной ее назначения. Кроме рабочих большое значение имеют габаритные размеры, которыми называют максимальные размеры машины по длине, высоте, ширине. Эти размеры определяют возможность перебазирования машин без их разборки. Большая группа параметров характеризует транспортные качества машин. К этой группе относится база — расстояние между осями крайних ходовых колес, дорожный просвет — расстояние между самой нижней точкой машины и поверхностью дороги и др. Экономические показатели, зависящие от многих характеристик машин, являются наиболее обобщенными, универсальными. С их помощью можно сравнивать самые разнообразные машины, определять целесообразность и сроки окупаемости новой техники, получать характеристики эффективности использования машин. К экономическим показателям относят стоимость машины, которая в известной мере является функцией ее массы, срок амортизации и др. Наиболее обобщенной экономической характеристикой служит себестоимость единицы продукции машины, которая зависит от ее производительности, расходов на заработную плату рабочим, на техническое обслуживание и ремонты, эксплуатационные материа- лы, т. е. буквально от всех показателей машины. Полную техникоэкономическую характеристику машины дает развернутая система ее показателей. § 1.3. Направления развития машин для земляных работ Основные направления развития машин для земляных работ, как и всей другой техники, определены XXVI съездом КПСС. Главными из них являются повышение эффективности -и качества машин. При этом понятия эффективности и качества включают в себя высокую производительность и технико-экономические показатели, сбережения материальных ресурсов и т. д. XXVI съезд КПСС указал также основные направления решения этих задач. В Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981 —1985 годы и на период до 1990 года, принятых XXVI съездом КПСС, относительно строительного и дорожного машиностроения указано на важность создания и освоения выпуска систем машин для комплексной механизации работ в промышленном, жилищном, сельскохозяйственном, мелиоративном и дорожном строительстве, машин повышенной единичной мощности с широким применением гидравлики и автоматики. Комплексной механизацией называют такую форму организации работ, при которой все основные и вспомогательные тяжелые и трудоемкие операции и процессы выполняются с помощью механизмов, машин и оборудования, отвечающих передовому уровню развития техники, взаимоувязанных по производительности, обеспечивающих заданный темп (сроки) всего процесса и наивысшие, возможные в данных условиях, технико-экономические его показатели. При комплексной механизации работы выполняются машинным комплексом, в котором одна машина является ведущей, а остальные— вспомогательными. Например, при разработке грунта в карьерах применяют экскаваторные комплексы, в которых ведущей машиной является экскаватор, а вспомогательными — автосамосвалы, бульдозеры и др. Комплекс машин может эффективно работать в тех случаях, если обеспечена наивысшая производительность ведущей машины. Для этого состав комплекса должен быть специально подобран. Так, если мощные экскаваторы обслуживаются автосамосвалами малой грузоподъемности, то их эффективность уменьшается. Например, при обслуживании экскаватора с ковшом 3 м3 пятитонными автосамосвалами цикл работы экскаватора оказывается в два раза большим, чем при 25-тонных автосамосвалах. Комплектование машинных комплексов — довольно сложная задача, потому что комплексы, соответствующие всем требованиям, можно создать лишь при условии, если производится вся система машин, предусмотренная при их проектировании. Машины комплексов должны использовать одинаковое топливо, смазочные материалы, унифицированные узлы и детали, что обеспечивает единство системы технического обслуживания комплек-ca — ее организации, оснащения. Поэтому в условиях комплексной механизации особенно важна унификация узлов и агрегатов. Указание XXVI съезда КПСС на необходимость создания машин повышенной единичной мощности ориентирует машиностроителей на проектирование машин высокой эффективности. Известно, что при использовании машин для земляных работ, повышающих производительность труда в 10—15 раз в сравнении с ручным трудом, стоимость механизированных работ остается все-таки высокой, достигая 30—50% стоимости ручных работ. Когда же применяют машины в 1000—20 000 раз производительнее ручного труда, стоимость их работы составит лишь 3—6% от стоимости ручного труда. С увеличением мощности машин улучшаются также другие их технико-экономические показатели. Важным направлением совершенствования машин для земляных работ является автоматизация их работы. Автоматизированные машины выгодны при комплексной механизации работ. В этом случае и автоматизация становится комплексной. При комплексной автоматизации все основные и вспомогательные процессы управления автоматизируются, т. е. заданная производительность и качество продукции должны обеспечиваться без вмешательства человека. За ним остается только функция наблюдения за работой автоматических устройств. Частичная автоматизация отдельных машин, входящих в производственный поток, позволяет повысить производительность их на 5—20% в основном за счет более точного соблюдения оптимальных технологических режимов. Технико-экономическая эффективность работы потока повышается главным образом за счет уменьшения трудоемкости работ. В материалах XXVI съезда КПСС указано на необходимость совершенствования технологических процессов и быстрейшего воплощения в практику достижений науки, что имеет прямое отношение к проектированию машин для земляных работ. Дело в том, что рабочие процессы, выполняемые многими типами этих машин, в принципе такие же старые, что и в момент создания оборудования, т. е. 100—150 лет назад. Например, рабочий процесс одноковшового экскаватора 1836 г., копирующий движения ручной лопаты, копающей грунт, используется и в современных экскаваторах. Этот процесс несовершенен — грунт при копании рыхлится, а затем в земляном сооружении (насыпь) уплотняется. В процессе копания грунт в ковше экскаватора поднимается, а потом при погрузке в транспортные средства опускается. Налицо — значительная ненужная затрата энергии. Прототипами современных бульдозеров являются применявшиеся в конце прошлого века на американских фермах устройства, состоящие из дышла, помещенного между парой быков, и деревянного щита, укрепленного на дышле перед быками. С помощью этого устройства убранные кукуруза и свекла сгребались в кучи. Существенно повысить эффективность и качество машин для земляных работ можно улучшением их рабочих процессов. Для этого можно использовать принципиально новые рабочие процессы (например применение газодинамических способов разработки грунта) или улучшать существующие (например, путем принудительной загрузки ковшей скреперов) и т. д. Конкретные пути совершенствования отдельных типов машин излагаются в соответствующих главах. ГЛАВА 2 ГРУНТЫ КАК ОБЪЕКТ ВОЗДЕЙСТВИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ МАШИН В ПРОЦЕССЕ ИХ РАЗРАБОТКИ Грунтами в инженерной практике называют любые горные породы, которые подразделяют на скальные и нескальные. Такое разделение грунтов объясняется природой пород, хотя строгую границу между скальными и нескальными грунтами провести трудно. Скальные грунты характеризуются жесткими связями между их частицами. Они представляют собой твердые тела и отличаются высокой прочностью. У таких грунтов не изменяются или очень мало изменяются свойства при длительном насыщении водой. К скальным грунтам относят изверженные или магматические породы, возникающие при остывании расплавленной магмы, выжимаемой либо в земную кору, либо на ее поверхность. Образцы этих пород обладают большой прочностью и плотностью, но в массиве они обычно разбиты трещинами на отдельные блоки, содержащие иногда местные сильно ослабленные зоны раздробленной породы. К скальным грунтам относят также многие осадочные породы. Прочная связь между их частицами образуется либо вследствие постепенно выпадающих из водных растворов цементирующих веществ, либо в результате непосредственного химического взаимодействия в точках контакта минеральных частиц. Под влиянием высокой температуры, давления и действия химически активных веществ как осадочные, так и магматические породы могут переходить в метаморфические модификации скальных грунтов. Под действием физико-механических и химических процессов скальные грунты разрушаются, образуя легко распадающиеся в воде несцементированные или очень слабо сцементированные скопления частиц и обломков. Эти скопления принято называть нескальными грунтами. Твердые минеральные частицы, слагающие нескальные грунты, называют скелетом. Скелет состоит в большинстве случаев из частиц различного размера. У многих грунтов скелеты имеют разнородные минералогические составы и соответственно частицы скелета могут обладать неодинаковыми физико-механическими свойствами. Промежутки между частицами скелета, называемые порами, могут содержать воду, лед, пар, воздух и другие газы. Вследствие интенсивного физико-хими-ческого взаимодействия между минеральными частицами скелета и поровой водой, содержащей ионы растворенных веществ, изменение содержания воды в порах и концентрации ионов в растворе влияют на механические свойства нескальных грунтов. При разработке и перемещении грунтов они разрыхляются, уплотняются, т. е. на них так или иначе воздействуют рабочие органы машин. При этом свойства грунтов оказывают большое влияние на эффективность их разработки, разрыхления, уплотнения и т. д. В соответствии со свойствами грунтов конструируют машины для земляных работ, выбирают режимы их эксплуатации, рассчитывают возможную их производительность. § 2.1. Общие понятия о сцеплении в грунтах Грунты — сложные образования, прочностные свойства которых в значительной степени зависят от структурных особенностей, в основном от характера и количества связей между структурообразующими элементами, т. е. от сцепления. Природа этого явления изучена еще недостаточно, но большинство исследователей считают, что прочность скальных грунтов, а также частиц, слагающих дисперсные грунты, обусловлена действием сил первичной валентности, которые удерживают атомы в пределах кристаллической решетки, а также сил, обусловленных вторичными валентными связями. Это силы взаимодействия между молекулами. В нескальных дисперсных грунтах комплекс факторов, обеспечивающих взаимосвязь структурообразующих элементов, значительно сложнее. Принято считать, что в их основе лежат молекулярные силы, а характер действия зависит от поверхности раздела твердых, жидких и газообразных фаз, химической природы твердых минеральных частиц, структуры, свойств веществ, заполняющих межчастичные пространства. Грунты содержат в поровом межчастичном пространстве какое-то количество воды. Виды и свойства воды могут быть различными в зависимости от ее количества и сил взаимодействия с минеральными частицами, определяемых главным образом гидрофильностью частиц. Поровую воду подразделяют на прочносвязанную (адсорбированную) , рыхлосвязанную (лиосорбированную) и свободную. При соприкосновении твердой минеральной частицы с водой возникают электромолекулярные силы взаимодействия, которые притягивают молекулы воды к поверхностям минеральных частиц с большой силой. Поэтому самые близкие к минеральной частице слои воды обладают аномальными свойствами. Они заключаются в том, что вода этих тонких пленок обнаруживает свойства твердых тел—обладает упругостью, прочностью на сдвиг и пределом текучести. Удалить эту воду не удается внешним давлением в несколько десятков атмосфер, в связи с чем ее принято называть прочносвязанной. Следующие слои рыхлосвязанной воды по мере удаления от твердой поверхности грунтовых частиц удерживаются значительно меньшими силами и их можно выдавить из пор грунта давлением в несколько раз меньшим, чем необходимо для выдавливания адсорбционной воды. Свободная же вода, находящаяся вне сферы действия молекулярных сил, может перемещаться в порах под действием гравитационных и капиллярных сил. Наличие пленок связанной воды блокирует влияние молекулярных сил и уменьшает их. В углах же и на ребрах частиц толщина пленок меньше, поэтому сила взаимного притяжения частиц при соприкосновении этими местами увеличивается. При наличии адсорбционных оболочек между частицами существуют одновременно и отталкивающие и притягивающие силы. Отталкивающие обусловлены расклинивающим действием тонких слоев воды и отталкиванием одноименно заряженных диффузных слоев. Притягивающие — молекулярным притяжением частиц. При сближении частиц обе силы увеличиваются. Однако силы притяжения возрастают быстрее, и на определенном расстоянии они начинают преобладать. Поэтому при высыхании грунта или сближении частиц давлением сильнее проявляются молекулярные силы, что и повышает прочность грунта. Если воды в грунте окажется больше, чем это определяется адсорбционной способностью грунта (характеризуемой молекулярной алагоемкостью), водные пленки, окружающие частички материала, утолщаются и сливаются. В этом случае количество воды в грунте определяется его капиллярной влагоемкостью. Капиллярная вода стягивает частицы грунта в соответствии с известной- из физики формулой Лапласа. Следовательно, при наличии капиллярной воды связность грунтов определяется в основном капиллярными силами, сближающими частицы. Капиллярные силы в грунтах при определенных условиях могут достигать довольно больших значений. При дальнейшем увлажнении материала все поры заполняются водой (ее объем определяют полной влагоемкостью) и таким образом отключаются силы поверхностного натяжения. Однако в полностью увлажненных грунтах силы молекулярного взаимодействия не становятся снова превалирующими. Связи в этом случае будут коагуляционными. Из физической химии известно, что увлажнение дисперсного материала влечет за собой образование на его поверхности двойного электрического слоя. Слой этот образуется либо вследствие адсорбции на поверхности частиц ионов из окружающего раствора, либо вследствие диссоциации молекул поверхностного слоя твердой фазы. В результате двойной электрический слой представляется аналогичным плоскому конденсатору, одна обкладка которого находится в твердой фазе, другая — в жидкой. Знаки зарядов твердой и жидкой обкладок зависят от минералогического состава дисперсных частиц. При взаимодействии их частицы с двойными электрическими слоями противоположной полярности притягиваются по известным законам электростатики. При уплотнении же таких коагуляционных структур до прямого соприкосновения зерен между ними снова начинают действовать молекулярные силы Следовательно, дисперсные грунты можно уподобить сложным электрическим системам. Заряды отдельных частиц компенсированы через взаимное притяжение или вследствие взаимодействия их с диполями воды и катионами Отсюда следует, что в состоянии равновесия грунты в целом являются электрически нейтральными. Однако при нарушении двойного электрического слоя, разрушении или деформации кристаллической решетки поверхностных слоев зерен возможно появление новых электрических зарядов. Они возникают также в результате трения между частицами при прохождении через грунт упругих волн. Таким образом, в дисперсных грунтах при определенных условиях и под воздействием ряда факторов возникает статическое электричество, вследствие чего образуются дополнительные связи между довольно крупными частицами (0,01—■ 0,25 мм). Это явление называется сейсмоэлектрическим эффектом. Частицы грунта, соприкасающиеся с водой, взаимодействуют с ней. В результате происходят физико-химические реакции, связанные с выпадением из постепенно концентрирующихся растворов различных солей. Продукты этих реакций заполняют поры грунта, покрывают поверхность частиц пленками и корочками, цементируя тем самым грунт и способствуя его окаменению. Это—процесс возникновения так называемых кристаллизационных связей, сопровождающийся увеличением прочности грунтов. Так как зерновой состав нескальных грунтов имеет весьма широкий диапазон размеров, эффекты, связанные с теми или иными факторами, определяющими сцепление в грунте, также сильно отличаются друг от друга в зависимости от степени раздробленности частиц, слагающих скелет. Чем дисперснее материал, тем больше контактов приходится на единицу его объема и, следовательно, тем интенсивнее силы его сцепления. Например, сцепление грубодисперсных грунтов при отсутствии того или иного цементирующего вещества настолько слабо, что при свободной засыпке эти грунты легко рассыпаются и принимают вид конической кучи. Такие грунты называют несвязными. Тонкодисперсные грунты, имеющие большую удельную поверхность, могут не обладать сыпучестью и быть в зависимости от влажности твердыми, пластичными, текучими. Такие грунты принято называть связными. Такое разделение удобно, хотя и весьма условно, так как связностью в большей или меньшей степени обладают все грунты независимо от их структурных особенностей и вида веществ, заполняющих поровое пространство. Знание структурных особенностей грунтов дает возможность изменять их свойства в некоторых пределах, т. е. управлять прочностными характеристиками. Это, в свою очередь, открывает возможность проектировать рабочие процессы наиболее эффективно и конструировать оборудование, воздействующее на грунты, различными способами. В частности, необходимо учитывать, что при замачивании лсссовых грунтов значительно ослабляются их кристаллизационные связи, что способствует их уплотнению; термическим же воздействием на лёссовые грунты их упрочняют. Один из методов повышения несущей способности слабых грунтов — электрохимическое закрепление их. Введение электролитов в грунты с коагуляционными связями приводит к объединению отдельных зерен в структурные агрегаты и к слипанию последних. Постоянный электрический ток во влажных грунтах вызывает электроосмотическое движение воды, активизирующее капиллярные силы и сближающее частицы. При этом молекулярные силы увеличиваются тем больше, чем дисперснее грунт. Поэтому электроосмотическое закрепление наиболее эффективно в грунтах с достаточно высоким содержанием глинистых фракций. § 2.2. Физико-механические свойства грунтов Для сравнения различных грунтов друг с другом их свойства оценивают численными величинами, которые называют параметрами, характеристиками или показателями свойств. Важнейшими показателями механических свойств являются коэффициент Пуассона [х и модуль одноосной деформации Е, который аналогичен модулю упругости, но учитывает не только обратимые деформации, но и необратимые. Эти показатели дают возможность оценивать сопротивления грунта деформациям от воздействия различных рабочих органов — режущих и уплотняющих. Однако они, к сожалению, являются не константами, а некоторыми нелинейными функциями возникающих в грунте напряжений. Определяют эти показатели с помощью приборов, воспроизводящих одноосное или трехосное сжатие в некотором интересующем исследователя диапазоне напряжений, а единая методика определения их отсутствует. Поэтому, несмотря на важность параметров ц и Е, используют их лишь при теоретическом анализе рабочих процессов. Эксплуатационные свойства грунтов обычно определяют набором эмпирических характеристик, которые, хотя и не имеют строгого обоснования, но с достаточной для практики точностью позволяют определять основные усилия в элементах машин при воздействии их на грунты. Важнейшие характеристики грунтов описаны ниже. Гранулометрический состав грунта—процентное содержание по массе частиц различной крупности. В зависимости от крупности, мм, частицы грунта разделяют на следующие: галечные— 40—20, гравийные — 20—2, песчаные — 2—0,05, пылеватые— 0,05—0,005, глинистые — менее 0,005. Чем мельче частицы грунта, тем больше преобразована первичная горная порода. Крупноблочные грунты разрабатывают обычно захватом подбором или зачерпыванием кусков. Поэтому сопротивление их разработке зависит от тяжести и механического зацепления кусков. По мере уменьшения размеров частиц грунта их удельная поверхность увеличивается, а следовательно, возрастают и силы взаимодействия частиц между собой и с элементами рабочих органов машин. Объемная масса — отношение массы грунта при естественной влажности к его объему. Объемная масса большинства грунтов составляет 1,5—2,0 т/м3. С помощью этого показателя определяют массу грунта в ковше машины или в призме волочения при нахождении усилий в элементах машины в процессе ее работы. Разрыхляемость — свойство разрабатываемого грунта увеличивать свой объем при постоянной массе. Объемы земляных работ и производительность землеройных машин исчисляют по объему грунта в состоянии естественного залегания. В процессе же разработки грунты превращаются в рыхлый материал с объемом пор и пустот значительно большим, чем до разработки. Характеризуют разрыхляемость коэффициентом разрыхления, равным отношению объема разрыхленного грунта к объему, который он занимает в плотном теле. Коэффициент разрыхления всегда колеблется в пределах от 1,08 до 1,75 в зависимости от грунта и конструкции рабочего органа. Это свойство грунта тоже принимают во внимание при установлении емкостей ковшей, размеров отвалов и других размеров машин для земляных работ. Пористост ь — отношение объема пор (независимо от того, чем они заполнены) ко всему рассматриваемому объему грунта. Чем пористее грунт, тем он рыхлее, а следовательно, менее прочен и более подвержен деформациям. Пористость грунта изменяется в зависимости от расстояния между частицами скелета грунта под действием внутренних и внешних сил и особенно важна при искусственном уплотнении грунтов. Влажность — отношение массы воды к массе сухого грунта, выраженная в процентах. Влажность влияет на механические свойства грунтов особенно сильно. С увеличением влажности грунтов, (Содержащих в значительных количествах тонкодисперсную фракцию, снижается их прочность, несущая способность и т. п. Кроме того, свойство грунтов уплотняться под нагрузкой существенно зависит от количества содержащейся в нем влаги. Так, максимальной плотности грунта при заданном режиме уплотнения можно достичь лишь при определенном соотношении воды и воздуха в грунте. При повышенной влажности этот показатель снижается. Максимальную плотность грунта при определенной для данной влажности нагрузке называют максимальной стандартной плотностью, а соответствующую ей влажность — оптимальной влажностью. Каждой нагрузке соответствуют определенные значения максимальной плотности и оптимальной влажности. Последние показатели определяют для каждого вида грунта в лабораторных условиях по методу стандартного уплотнения. Связность — свойство грунта благодаря силам сцепления сопротивляться разделению на отдельные частицы под действием внешних нагрузок. Характерными примерами связных грунтов являются глины, содержащие в значительных количествах тонкодисперсные фракции. Пластичность — свойство грунта в результате внешнего воздействия изменять форму без разрыва сплошности и сохранять ее после того, как воздействие снято. Пластичностью обладают все связные грунты в определенных границах влажности. Пластичность тесно связана с влажностью, а также с дисперсностью и однородностью частиц грунта. Чем более грунт дисперсен и однороден, тем выше его пластичность. Так как к связным грунтам относятся грунты с различным гранулометрическим составом, пластические свойства их могут быть различными. Эти различия не имеют, однако, качественного характера. Для количественной оценки пластичности установлено так называемое число пластичности, под которым понимают выраженную в процентах разность влажностей грунта, относящихся к границам перехода в текучее и твердое состояния. Липкость — параметр, характеризующий способность грунта прилипать к поверхности рабочих органов. Слой грунта, налипающий, например на внутреннюю поверхность ковша, может существенно затруднить работу машины. Липкость характерна для связных грунтов, находящихся в увлажненном состоянии. С возрастанием влажности липкость увеличивается, но до известного предела. Так, по достижении полной влажности липкость резко уменьшается и при дальнейшем увеличении влажности может полностью исчезнуть. Таким образом, максимальная липкость, аналогично максимальной плотности, может иметь место лишь при вполне определенной влажности, значение которой определяется гранулометрическим и минеральным составом скелета грунта. Липкость выражают отношением усилия, необходимого для отрыва прилипшего к грунту предмета, к площади прилипания. Размокаемость — свойство некоторых видов связных грунтов при впитывании воды после потери связности превращаться в рыхлую массу, лишенную несущей способности. Размокаемость грунтов зависит от их состава, характера связей, начальной влажности и имеет существенное значение при гидромеханизации земляных работ. Показателем размокания является время, в течение которого образец грунта, помещенный в воду, распадается в крупные или мелкие комочки, пыль. Сжимаемость — свойство грунтов уменьшаться в объеме под действием внешней нагрузки. Сжимаемость определяется способностью грунтов уменьшать пористость из-за переупаковки частиц, как вследствие возникновения местных сдвигов частиц и соскальзывания более мелких частиц в поры грунта, так и от изменения толщины водно-коллоидных оболочек частиц при увеличении давления. Для небольших перепадов давления сжимаемость грунта можно характеризовать коэффициентом сжимаемости, равным отношению разности пористости грунта в начале и конце интервала к приращению давления на этом же интервале. Для больших перепадов давления сжимаемость обычно характеризуют компрессионной кривой, представляемой обычно в виде уравнения s. = e0 —^к1п—,    (2.1) где е0 и Р0 — начальные коэффициент пористости и давление; еi и Pi — коэффициент пористости и давление, соответствующее i-й ступени нагрузки; kK — коэффициент компрессии, определяемый экспериментально. Сжимаемость играет важную роль в уплотнении грунтов. Сопротивление грунта вдавливанию. Значительному числу рабочих процессов машин для земляных работ соответствуют деформации, наблюдаемые при вдавливании в грунт металлических штампов. Для характеристики сопротивления грунта вдавливанию используют показатель — коэффициент сопротивления грунта смятию, т. е. напряжение, вызывающее вдавливание в грунт опорной поверхности на глубину в 1 см. Коэффициент сопротивления смятию позволяет оценивать несущую способность грунта и, следовательно, правильно конструировать ходовое оборудование машин. Значение этого коэффициента колеблется у разных грунтов в пределах 0,12—1,3 кг/см2. По данным некоторых исследователей, сопротивления при вдавливании штампов в грунт должны коррелироваться с усилиями резания, и они могут служить объективными критериями для составления шкалы сопротивляемости грунтов резанию. Приборы, основанные на принципе вдавливания штампов в грунт, называют плотномерами. Сопротивление сдвигу. Этот показатель нужен для правильного расчета режимов работы машин и оценки нагрузок на их рабочее оборудование. В настоящее время нет единой точки зрения на природу сопротивления грунтов сдвигу. Некоторые исследователи считают, что сопротивление сдвигу зависит только от сцепления между частицами, показателем которого является коэффициент сцепления. Другие полагают, что сопротивление сдвигу зависит также и от сил трения. Показателями этих сил, действующих в грунте, считают угол внутреннего трения и коэффициент трения. Несмотря на недостаточную изученность природы сопротивления и условность его разделения на внутреннее трение и сцепление, для практических расчетов сопротивление грунтов сдвигу принято характеризовать зависимостью, выражающейся уравнением Кулона *=^ci + /?tgp,    (2.2) где р — угол внутреннего трения грунта; р — нормальное давление на поверхности сдвига; /Ссд — удельное сопротивление сдвигу при р = 0, или коэффициент сцепления грунта. Сопротивление сдвигу грунта зависит как от физического состояния его (плотности, влажности), так и от условий деформации (скорости сдвига, размеров массива). Для количественной оценки сопротивления грунтов сдвигу проводят экспериментальные исследования, заключающиеся в одновременном измерении нормального и касательного усилий при разрушении сдвигом стандартного образца. Угол естественного откоса грунта — угол, при котором неукрепленный откос грунта еще сохраняет равновесие, или угол, под которым размещается свободно насыпаемый грунт. Для несвязных грунтов угол естественного откоса равен углу внутреннего трения. Коэффициенты трения грунта о сталь и грунта по грунту имеют существенное значение при взаимодействии рабочих органов землеройных машин с грунтом. Абразивность грунтов — свойство их изнашивать рабочие органы машин в результате истирания. Форма и размеры элементов машин, соприкасающихся с грунтом, значительно меняются, вследствие чего нарушаются проектные условия их взаимодействия и возрастают нагрузки на машину. Динамические показатели. Число параметров, характеризующих с различных сторон динамические свойства грунтов, чрезвычайно велико. К наиболее существенным следует отнести скорости распространения продольных и поперечных волн, определяющих скорость распространения возмущений в грунте. Произведение плотности грунта на скорость продольных волн принято называть акустической жесткостью, характеоизующей сопротивляемость грунта прохождению продольной волны. Коэффициент затухания колебаний — параметр, характеризующий уменьшение амплитуды колебаний по мере удаления от источника возмущений. § 2.3. Принципы классификации грунтов В процессе проектирования и использования оборудования, предназначенного для производства земляных работ, применяют так называемые классификационные показатели грунтов. С их помощью относят грунты к той или иной категории, чтобы в общих чертах характеризовать поведение их под действием различных нагрузок, возникающих при эксплуатации строительной техники. Инженерные классификации грунтов, применяемые в настоящее время, можно подразделить на группы: инженерно-геологическую почвенно-дорожную, физико-техническую и практическую. Деформативные и прочностные характеристики грунтов, т. е. те, которые непосредственно связаны с поведением грунтов при различных механических воздействиях, должны быть основой технических классификаций грунтов. Однако непосредственное их нахождение является сложной задачей. Кроме того, они не всегда необходимы в практической деятельности. Поэтому в большинстве классификаций использована статистическая зависимость между некоторыми просто и легко определяемыми физическими характеристиками грунтов и прямыми характеристиками, от которых зависят свойства грунтов в тех или иных условиях. Подразделение грунтов на различные классы по их строительно-техническим свойствам облегчает выбор рациональных способов их разработки и позволяет учитывать такие их особенности, которые затруднительно охватить расчетом — их оценивают лишь качественно. Вследствие этого в настоящее время не прекращаются настойчивые исследования по улучшению и развитию существующих я созданию новых классификаций. В нашей стране наиболее употребительна практическая классификация, по которой грунты подразделяют на два класса, резко отличающихся друг от друга по своим свойствам: массивные, сцементированные скальные; рыхлые, обломочные, состоящие из неце-ментированных обломков и частиц — глинистые, песчаные, крупнообломочные нескальные. Главный принцип, положенный в основу практической классификации,— трудность разработки грунтов. В соответствии с этим принципом скальные грунты характеризуются показателем крепости. Шкала крепости горных пород впервые была научно обоснована М. М. Протодьяконовым. Пр^этом все горные породы разделены им на 10 категорий. Крепость их оценивается коэффициентом крепости /ьр. За единицу крепости принят предел прочности при простом сжатии, равный 100 кг/см2. Например, если какая-либо порода обладает сопротивлением сжатию 400 кг/см2, то коэффициент крепости ее будет /Кр = 400/100=4. По шкале Протодьяконова к 1-й категории относят в высшей степени крепкие породы (например, наиболее крепкие кварциты, базальты), коэффициент крепости которых составляет 20 Глинистые сланцы, известняки, некрепкие песчаники, характеризующиеся коэффициентом крепости 4, относят к породам 5-й категории. Для нормирования производственных процессов применяют и другие классификации горных пород по прочности. В этих классификациях к той или иной категории породы относят по чистому времени бурения 1 м шпура или по удельной работе бурения. Общесоюзной классификацией является единая шкала буримости, ведомственной— классификация, принятая на угольных карьерах, а также классификация Союзвзрывпрома. В классификации нескальных грунтов их характеризуют видом и гранулометрическим составом (количественным содержанием твердых частиц того или иного размера), в соответствии с которыми грунтам присваивают название (табл. 2.1). Таблица 2.1 Виды несвязных грунтов Виды несцементированных обломочных    Распределение массы частиц по крупности, грунтов    % or массы сухого грунта Крупнообломочные: щебенистый (при преобладании окатанных частиц — галечнико-вый) дресвяный (при преобладании окатанных частиц — гравийный) Пески. гравелистый крупный средней крупности мелкий пылеватый Масса частиц крупнее 10 мм>50 Масса частиц крупнее 2 мм составля-ет>50 Масса частиц крупнее 2 мм > 25, но<50 Масса частиц крупнее 0,5 мм>50 Масса частиц крупнее 0,25 мм>50 Масса частиц крупнее 0,1 мм>75 Масса частиц крупнее 0,1 мм<75 В зависимости от количества воды в несвязных грунтах их разделяют на маловлажные, если вода заполняет не более 50% всего объема пор, влажные, когда водой заполнено 50—80% объема пор, и водонасыщенные при заполнении водой более 80% объема пор. В связных грунтах в отличие от несвязных наряду с гранулометрическим составом классификационным показателем явшяется не влажность, а^ыисдо пластичности (табл. 2.2). Такой принцип клас- сификации рекомендует СНиП. Он позволяет легко определить вид грунта, а затем отнести его к той или иной группе в зависимости от трудности разработки. Таблица 22 Виды связных грунтов Показа!ели Грунты число пластичное ти содержание песчаных частиц, % от массы сухого грунта Разновидности грунтов Супесь (частиц с размером Супесь легкая 0,005 мм — 10—3%) Супесь пылеватая Супесь тяжелая пылеватая Суглинок (частиц с размером Суглинок легкий менее 0,005 мм — 30—10%) Суглинок тяжелый Глина (частиц с размером ме Глина песчанистая нее 0,005 мм — более 30%) Не нормируют Глина пылеватая полужирная Глина жирная Грунты распределены на группы в «Единых нормах и расценках» в зависимости от вида применяемой механизации. При этом один и тот же грунт может быть отнесен к различным группам при разработке его различными машинами. Например, лёсс отвердевший относится к 4-й группе при разработке одноковшовыми экскаваторами, к 3-й группе — при разработке бульдозерами, ко 2-й группе— при разработке скреперами. Гравийно-галечные грунты относят к 1-й группе при разработке их экскаваторами, ко 2-й группе — при разработке скреперами и к 3-й — при разработке их грейдерами и т. д. Такая классификация очень несовершенна, так как не учитывает физического состояния грунта. Поэтому в настоящее время наиболее употребительна классификация, предложеннал А. Н. Зелениным. По ней физическое состояние грунта оценивается по числу ударов динамического плотномера ДорНИИ. Плотномер состоит из цилиндрического стержня сечением 1 см2, на который надета гиря массой 2,5 кг. При падении с высоты 40 см гиря ударяется об упор на стержне, который погружается в грунт. В зависимости от числа ударов Спл, необходимых для погружения стержня на 10 см, грунт (в соответствии с классификацией грунтов по числу ударов динамического плотномера) можно отнести к одной из восьми категорий, которые приведены ниже. Категория грунта I II III IV V VI    VII VIII Число ударов Сдл 1—4 о—8 9—16 16—34 35—70 70—140 140—280 280—560 Использование динамического плотномера позволяет классифицировать грунты, при разрушении которых преобладает пластическое деформирование. Следует заметить также, что это один из наиболее объективных способов оценки мерзлых грунтов при различных влажностях и температурах, поэтому указанная классификация грунтов рекомендуется во многих ГОСТах на машины для земляных работ. А. Н. Зеленин установил экспериментально зависимость ^пл l/^пл 2 — Рl/P2)    (2.3) где СПЛ1 и СПЛ2 — число ударов динамического плотномера для двух видов грунта; Р\ и Р% — усилия резания в этих грунтах. Отсюда P2=Pi    .    (2.4) § 2.4. Особенности физико-механических свойств мерзлых грунтов Грунты при отрицательных температурах резко меняют свои свойства, так как лед, образующийся при замерзании воды, связывает частицы грунта в сплошной высокопрочный монолит. Прочностные свойства мерзлых грунтов зависят от ряда факторов, и даже небольшое изменение одного из них значительно меняет величину сопротивления разрушению. Вода замерзает в грунтах по-особому из-за взаимодействия ее с поверхностью минеральных частиц грунта, а также наличия в воде растворенных солей, механического и минералогического состава грунта и пр. Температура кристаллизации воды, находящейся в силовом поле поверхности минеральных частиц, ниже 0° С. Процесс замерзания грунтов хорошо исследован как в лабораторных, так и в полевых условиях. В начале процесса грунт охлаждается, а затем переохлаждается без выделения льда. При температуре 3—5° С ниже нуля начинает замерзать свободная вода, не связанная молекулярными силами с минеральными частицами. Далее везде температура приводится в градусах Цельсия. Эту температуру называют температурой переохлаждения. В дальнейшем в грунте постепенно замерзает свободная поровая вода. В мерзлых грунтах далеко не вся вода замерзает даже при температуре —10°, когда в них незамерзшей воды может быть еще до 25% и более. Если в песке практически вся она замерзает при температуре —2°, то в глине прочно связанная вода замерзает при —70° и ниже. Это объясняется тем, что более дисперсные грунты имеют большую поверхность минеральных частиц и, следовательно, обладают большей способностью связывать поровую воду. Влажность грунта влияет не только на условия его замораживания, но и на прочность. В мерзлом грунте с влажностью, не превышающей полной влагоемкости, и быстро замороженном невозможно визуально обнаружить скопления кристаллов льда-цемента. Такой грунт представляет собой монолит со слитной криогенной структурой. При замораживании грунта повышенной влажности в нем появляются линзы и прослойки льда, разделяющие монолитную структуру, включения льда встречаются и в грунтах небольшой влажности, так как образование их зависит от рода и плотности грунта, скорости и температуры замораживания. При малой влажности льдоцементные связи не обеспечивают монолитной структуры грунта и он легко поддается экскавации. При влажности, соответствующей полной влагоемкости грунта, его прочность в мерзлом состоянии наибольшая, так как льдоцементные связи в этом случае наиболее полно соединяют между собой отдельные частицы грунта. Каждому грунту с определенной влажностью свойственна температура промораживания, при которой пленочная и капиллярная вода подтягивается к фронту промерзания, а также к порам и круп-
Рис. 2.1. Основные виды криогенных текстур мерзлых грунтов: а —слитная; б —слоистая; в — ячеистая ным пустотам, чем вызывается максимальное выделение льда. В результате этого образуются слоистая и ячеистая структуры мерзлого грунта (рис. 2.1). Так как из-за линз и прослоек льда образуется неоднородная текстура мерзлого грунта, его механическая прочность уменьшается. Миграция влаги происходит и в замерзшем грунте, однако интенсивность ее значительно меньшая, чем в талом, что объясняется небольшим содержанием незамерзшей воды и затрудненностью ее передвижения. Мерзлые грунты разрушаются землеройными машинами под влиянием растягивающих, сдавливающих или сдвигающих напряжений. При этом весьма важное значение для оценки сопротивления мерзлых грунтов имеет мгновенная или кратковременная прочность, которую приравнивают к их временному сопротивлению-Следует заметить, что для различных рабочих органов землеройных машин значения сопротивления разрушению или резанию одного и того же грунта могут значительно отличаться. Разрушение мерзлого грунта растяжением наименее энергоемко, так как его прочность на разрыв наименьшая- Предел прочности ар быстро увеличивается с понижением температуры (рис. 2.2), особенно у песка и супеси, которые при температуре —5° имеют значительно большую прочность, чем суглинки и глины. Прочность мерзлого грунта возрастает с повышением влажности до полной его влагоемкости (рис. 2.3); при большем содержании влаги временное сопротивление мерзлого грунта всем видам напряжений уменьшается, и в пределе оно становится равным временному сопротивлению льда. Прочность мерзлого грунта возрастает также с увеличением в нем количества частиц песка, что резко отличает мерзлые грунты от талых (рис. 2.4). Объясняется это образованием в мерзлом песке жесткого каркаса, прочно армированного льдоцементными с)

Рис. 2.2. Зависимость временного сопротивления мерзлых грунтов разрыву при различной температуре- а —песка; б — супеси, в — суглинка; г — глины; влажность грунтов: 7 — 4,1%; 2— 12,4%; 3 — 19,3%; 4 — 40%; 5-28%; 6 — 50%; 7 — 57%; 8-22,3%; 5 — 19%; 10-51%; 11 — 26%; 12 — 30% связями. Временное сопротивление сжатию мерзлого грунта при прочих равных условиях в 3—5 раз больше, чем растяжению. Прочность грунта при сжатии зависит от его влажности примерно в том же соотношении, что и при разрыве. Временное сопротивление мерзлых грунтов сдвигу т (рис- 2.5) очень важно для определения прочности грунта аналитическим путем для правильного выбора теории прочности. По данным А. Н. Зеленина, при т/стр<1 мерзлый грунт разрушается как пластичный материал, при т/0р>1 —как хрупкий. Временное сопротивление мерзлых грунтов сдвигу характеризует их как хрупкие материалы при температуре ниже —5° Для песка отношение т/ар при этом примерно равно 2, для супеси, суглинка и глины—1,6. При температуре —1—4°, по опытным данным, некоторые мерзлые грунты имеют свойства, сходные со свойствами пластичных тел. Увеличением влажности грунта выше полной влагоемкости уменьшается временное сопротивление мерзлых грунтов сдвигу. Надо отметить, что величина временного сопротивления мерзлых грунтов в значительной степени зависит и от скорости приложения нагрузки. Предел длительной прочности мерзлых грунтов а]    5)    8) Рис. 2.3. Влияние влажности на сопротивление мерзлых грунтов разрыву при различной температуре (°С): а —песка; б — супеси; в — глины, 1 — Гг= —5°; 2 — Тг= —15“; 3—Тт=—25°; 4~Тт = при постоянной нагрузке значительно ниже временного сопротивления, что объясняется пластическим деформированием его аналогично пластическому течению льда. При увеличении скорости приложения нагрузки сопротивление мерзлого грунта возрастает. По различным данным, сопротивление резанию при увеличении скорости на 1 м/с увеличивается на 5—12%. Однако эти сведения противоречивы. Очевидно, что с увеличением скорости приложения нагрузки изменяется характер разрушения, уменьшается его пластическая деформация и разрушение происходит как хрупкого или квазихрупкого тела. Основным становится предельное касательное напряжение, не изменяющееся при увеличении скорости. Мерзлые грунты, как и немерзлые, подразделены классификацией на четыре группы по трудности разработки. Эта классификация имеет недостатки (например, по ней песок отнесен к I группе по трудности разработки как в немерзлом, так и в мерзлом состоянии, хотя из рис. 2.2 и 2.4 ясно, что прочность мерзлого песка значительно больше, чем глины, относимой ЕНиР к III—IV группам. Значительно точнее можно классифицировать мерзлые грунты по трудности разработки с помощью динамического плотномера ДорНИИ (табл. 2-3, V—VIII категории)- Рис, 2 4 Зависимость временного со- Рис. 2.5. Сопротивление мерзлых грун-противления мерзлых грунтов ежа- гов сдвигу при изменении температу-тию от температуры:    ры и влажности:
/ — песок; 2 — супесь; 3 — глина    \ — супесь, W=22%; 2 — песок, W—16%; 3 — суглинок, W==22%; 4 — глина, W=36% ГЛАВА 3 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ РАБОЧИХ ОРГАНОВ С ГРУНТОМ Земляные работы сопровождаются деформациями, разрушением и перемещением грунта. Для выполнения этих операций применяют рабочие органы различных типов. От характера их взаимодействия с грунтом зависит эффективность рабочего процесса, поэтому выбор эффективных типов рабочих органов для выполнения заданных технологических операций имеет большое значение. § 3.1. Способы деформации и разрушения грунта Способы деформации и разрушения грунта различают в зависимости от среды, действующей на грунт, и способа воздействия. Воздействовать на грунт может твердое тело, жидкость или газ; способ же воздействия может быть механический или физико-ме-ханический. Как было указано выше, грунт представляет собой трехфазную упругую систему, причем силы связей между частицами до определенного предела будут тем выше, чем меньше между ними расстояние и чем плотнее грунт. Поэтому деформация сжатия грунта механическим способом до определенного предела упрочняет его, а затем разрушает, как правило, вследствие сдвига по плоскостям максимальных касательных напряжений. Физико-механические способы разрушения грунта заключаются в непосредственном воздействии на связи между его частицами (например, с помощью электрического тока, химических веществ и др.), вследствие чего снижается сцепление между частицами грунта или внутреннее трение. При выполнении земляных работ (до 80—85% общего объема) наиболее применимо воздействие на грунт твердым телом, которое происходит при работе всех землеройных и грунтоуплотняющих машин. Второе место по объему выполняемых работ (до 10—15% общего объема) занимает гидромеханизация, при которой грунт разрушается и транспортируется водой. Способ давления газа на грунт применяют главным образом при выполнении взрывных работ. Воздействие на грунт твердым телом (инструментом) может быть статическим, динамическим и вибрационным. Под статическим понимают воздействие, происходящее при относительно постоянных скоростях перемещения рабочего органа. При этом не исключаются динамические явления в системе машина — грунт (например, при встрече с труднопреодолимым препятствием). В случае динамического воздействия величина нагрузки на грунт резко меняется по времени, скорости перемещения рабочего органа переменны и его кинетическая энергия передается грунту. Вибрационное воздействие инструмента на грунт происходит при знакопеременных скоростях и нагрузках. Частота колебаний может находиться в этом случае в широких пределах:'от дозвуковой области (50—100 Гц) до ультразвуковой (20 кГц). Вода и газ воздействуют на грунт динамическим путем, при котором связи между частицами грунта разрушаются вследствие передачи грунту кинетической энергии воздействующей среды. В последние годы с целью интенсификации рабочих процессов комбинируют различные способы воздействия на грунт. Так, при статическом воздействии на грунт режущего инструмента ему сообщается колебание или к нему подводится струя воздуха, снижающие трение на рабочей поверхности и сопротивление копанию. При разработке грунта водой (например, с применением землесосов) струи ее выполняют роль механического рыхлителя. Рассмотрим воздействие на грунт твердого тела, применяемого в виде инструмента, которое характеризуется внедрением рабочего инструмента в грунт и перемещением его внутри массива грунта. Возможны три способа деформации и нарушения внутренних связей грунта: погружение в него инструмента движением, направленным перпендикулярно поверхности грунта (рис. 3.1, а), разрезание его перемещением инструмента вдоль поверхности (рис. 3.1, б) и срезание пласта грунта (стружки) движением инструмента в плоскости, параллельной поверхности (рис. 3.1, б). Наиболее распространен последний способ. Для определения требуемых усилий на рабочих органах землеройных машин необходимо знать предельные напряжения, которые нарушают внутренние связи грунта. Для этого обычно применяют теорию наибольших касательных напряжений, в основе которой лежит известное уравнение Кулона (2.3): T = C„ + atgp.
5) Рис. 3.1. Основные виды резания грунтов

6)
Проведем в координатах т, а прямую LD"' (рис. 3.2), соответствующую зависимости T=C0 + crtgp, и симметричную ей прямую LD"\ как показано на рисунке. Вписанные в эти прямые круги радиусами O'D', 0"D", 0"'D"' можно рассматривать как круги напряжений для различных соотношений at и 0ч. При этом точки D', D", D'" определяют критические значения т', г",    за которыми наступает сдвиг грунта. Угол наклона плоскости сдвига я|з определяют половиной угла наклона радиусов O'D', 0"D", 0"'D"', составляет ф = 45°+p/2, поскольку радиусы O'D', 0"D", 0'"D'" перпендикулярны огибающей прямой LD'", наклоненной под углом р к оси абсцисс (рис. 3 2, о). Из графика следует, что сдвиг может произойти с равной степенью вероятности по двум плоскостям, расположенным под углами 45°+р/2 и — (45° + р/2). Рис. 3.2. Построение огибающих кругов напряжений
На рис. 3.2, а изображены круги напряжений для областей сжимающих (отрицательных) нормальных напряжений. Как будет показано ниже, грунт может разрушаться при разрывающих положительны* значениях а. Эта область соответствует участку LD прямой LD'", для которой условие прочности имеет вид т = С°—a tg р. Работами А. Н. Зеленина и других советских ученых установлено, что при больших значениях а огибающие кривые стремятся к прямой, параллельной оси абсцисс и р->0 (рис. 3.2, б), а при положительных значениях а разрушение образцов наступает раньше расчетного, как это показано на рис. 3.2, б. При погружении инструмента в грунт сопротивление вдавливанию прямо пропорционально поперечной площади штампа FmT: = з    (3.1) где Овд — удельное сопротивление вдавливанию. Кроме того, сопротивление грунта вдавливанию зависит от формы поперечного сечения инструмента. Чем больше соотношение между длинной и короткой сторонами сечения а/b, тем меньше сопротивление вдавливанию. Это объясняется тем, что при сравнительно узких вдавливаемых сечениях снижаются боковые нормальные напряжения аз и разрушение грунта наступает при более низком значении т. Рис. 3.3. Схема образования тел скольжения в связном грунте элементарным профилем по А. Н. Зеленину:
Установлено, что соотношение длин сторон существенно сказывается на сопротивлении вдавливанию; для различных грунтов оно лежит в пределах а/& = = 3,5-ь6; при дальнейшем уменьшении этого соотношения влияние его снижается. 1 — ядро уплотнения; 2 — тела скольжения
Разрезание грунта часто используют при работе машин для производства земляных работ; отрывки траншей для укладки кабелей, линий связи, трубопроводов, рыхления плотных грунтов перед их разработкой, грунт разрезается при применении зубьев на режущих профилях землеройных машин и в ряде других случаев. Процесс разрезания протекает различно в пластичных и скалывающихся грунтах. Схема процесса разрезания в скалывающихся грунтах типа супесей и суглинков показана на рис. 3.3. При перемещении в грунте ножа перед ним выдвигается »верх по плоскости скольжения клинообразное тело, имеющее в плане форму раковины. Вначале на поверхности образуется тело скольжения, идущее от верхней части ножа; затем отделяются тела скольжения большего размера, идущие от нижних точек ножа. Периодически образующиеся тела скольжения поднимаются вверх и целики грунта принимают характерную ступенчатую структуру. Перед передней гранью ножа аналогично вдавливаемому штампу образуется ядро уплотнения грунта, передвигающееся вместе с ножом. Раковины скола образуются на определенной глубине от поверхности, ниже которой грунт в силу упругости раздвигается в стороны и вниз, не поднимаясь вверх. Периодические сдвиги тел скольжения вызывают колебания усилия, действующего на нож. В момент скола усилия снижаются, а затем нарастают по мере деформации грунта до образования предельных напряжений сдвига. Диаграмма изменения тягового усилия получает для этого процесса характерный пилообразный вид. Глубина резания, при которой увеличение раковины скола прекращается, называют критической. Постоянство объема раковины скола сохраняется как при вертикальном положении ножа, так и при наклонном (рис. 3.4). Это явление объясняется сжимаемостью грунтов под нагрузкой. С увеличением глубины резания напряжения сжатия перед движущимся профилем, необходимые для образования раковин скола, увеличиваются и достигают величины, достаточной для сжатия грунта на толщину ножа в боковом направлении. Вследствие этого критическая глубина тем больше, чем шире прорезающий нож; для углов резания 25—45° она составляет hKр— (2,5-f-4)6. На рис. 3.4 показано, что в зоне А (до критической глубины) грунт разрыхляется, а в зоне Б уплотняется. Рис. 3.4. Схема резания грунта на глубину больше критической (по Ю. А. Ветрову)
Образование ядра уплотнения перед движущимся профилем является нежелательным, так как при этом происходит трение грунта о грунт, имеющее более высокое значение, чем трение грунта о сталь. Ядро уплотнения имеет параболическое очертание и после его образования перед режущим профилем в дальнейшем грунт деформируется под действием этого ядра. Ядро уплотнения образуется в любом грунте независимо от толщины режущего профиля при угле заострения режущего профиля р>50ч-60°, т. е. большем двойного угла внешнего трения при симметричном заострении; при (3<50° ядро не образуется. При относительно малом расстоянии между двумя параллельно расположенными профилями между ними образуется одно уплотненное ядро и они работают вместе как-профиль общей ширины. Срезание пласта грунта (стружки) является основным элементом процесса копания, при котором грунт отделяется от массива и перемещается внутрь рабочего органа или перед ним. Срезание стружки является наименее энергоемким способом разработки грунта, поскольку он удаляется в сторону свободной стороны (рис. 3.1, в) с минимальными затратами энергии на сжатие и уплотнение. Однако процесс срезания стружки в чистом виде практически неосуществим, так как кроме основных режущих элементов у землеройных машин имеются емкости (ковши)^ с вертикальными стенками или элементы несущих конструкций, которые тоже взаимодействуют с грунтом. Сам режущий элемент в процессе работы первоначально внедряется в грунт, а затем срезает стружку. Таким образом, реальный процесс разработки грунта включает в себя, как правило, элементы вдавливания, разрезания и срезания стружки при одновременном перемещении грунта по рабочей поверхности инструмента и перед ним, что в совокупности называют копанием. В зависимости от вида инструмента и траектории его движения превалирует тот или иной вид резания. Рабочие органы землеройных машин различают по виду режущей кромки, способу деформации и перемещения грунта. Режущая кромка (рис. 3.5) может иметь вид прямого клина 1, косого клина 2, диска 3, совка 4 или периметра 5. Кроме того, режущие кромки могут иметь зубья для разработки плотных грунтов. По способу действия рабочие органы различают как пассивные и активные. К первым (поз. 6—11 на рис. 3.5) относят такие, которые при работе не перемещаются по отношению к машине, рабочие же усилия возникают от энергии, подводимой к движителю машины. Рабочие органы активного действия (поз. 12—19 на рис. 3.5) при работе перемещаются по отношению к машине и приводятся в движение двигателем машины непосредственно, минуя движитель. В последнее время применяют рабочие органы комбинированного действия (поз. 20—22), которые для выполнения рабочего процесса кроме энергии, сообщаемой движителем, реализуют одновременно энергию, получаемую непосредственно от первичного двигателя машины. Примером этому могут служить: плужно-роторный рабочий орган, сочетающий плужный отвал пассивного действия с ротором активного действия (позиция 20), рыхлитель пассивного действия 21, к которому дополнительно подводится энергия, вызывающая его вибрацию, корчеватель активного действия 22, который сочетает напор, создаваемый движителем машины, с активным поворотом корчующих клыков. По способу перемещения грунта рабочие органы делятся на три группы: отвального типа, ковшового и скребкового. Рабочие органы отвального типа, как правило, имеют режущую кромку в виде прямого или косого клина, сочетающуюся с отвальной поверхностью криволинейного очертания (рабочие органы бульдозеров 6, автогрейдеров 7, грейдер-элеваторов 8 и др.). При прямо поставленном отвале срезанный грунт в виде призмы волочения перемещается перед отвалом к месту укладки. При косо поставленном отвале одновременно с поступательным движением машины осуществляется перемещение грунта в сторону относительно отвала. У рабочих органов ковшового типа имеются рабочие кромки типа прямого клина или совка. Срезанный пласт грунта поступает в ковш и перемещается этим ковшом к месту отсыпки или грузится в транспортные средства. При этом загрузка ковша грун-
том может осуществляться снизу, как у ковша скрепера пассивного действия 9 и грейфера активного действия 14, или спереди, как у ковшей прямых и обратных лопат 12, драглайнов 13, многоковшовых экскаваторов 15, 16 и 17. Траектории движения ковшей во время заполнения могут быть прямолинейными, как у драглайна 13 и цепного рабочего органа 15, или криволинейными, как для одноковшовых экскаваторов 12 или роторных 16, 17. При криволинейном ротационном движении разгрузка ковшей может осуществляться под действием гравитационных (16) или инерционных (17) сил. Бесковшовые рабочие органы срезают грунт, не перемещая его, а для транспортирования грунта служат специальные средства, как, например, лопатки скребкового цепного рабочего органа 18 или выбросные лопатки ротационного рабочего органа 19. Развитие конструкций рабочих органов землеройных машин характеризуется совершенствованием процессов их взаимодействия с грунтом, улучшением условий транспортирования и применением устройств, интенсифицирующих рабочие процессы. § 3.2. Резание и копание грунта При механическом способе разработки грунта рабочий орган землеройной машины, как правило, представляет собой клин, характеризуемый углом резания а, заострения (3, задним углом б и углом в плане (углом захвата) у (рис. 3.6 и 3.7). При резании наиболее распространенных связных грунтов первоначально происходит уплотнение сжимаемого пласта, а затем сдвиг по плоскостям касательных напряжений, расположенных под некоторым углом г|) к горизонту. Деформированный пласт грунта под напором вновь поступающего перемещается по рабочей поверхности клина в ковш или другое приемное устройство. В пластичных грунтах при достаточно малых углах резания сдвиг не происходит, и грунт перемещается по рабочей поверхности клина в виде слитной стружки. В сыпучем несвязном грунте перед клином образуется призма волочения, которая способствует перемещению его по рабочей поверхности. Представим себе скорость движения режущего клина как переносную, а движения грунта по рабочей поверхности клина как относительную. Абсолютная скорость перемещения грунта при этом может быть представлена как геометрическая сумма указанных двух скоростей. Картины скоростей при различных видах деформации грунта прямым и косым клином представлены на рис. 3.7. Величина пере- Рис 3 5. Типы рабочих органов землеройных машин: /—^прямой клин, 2 — косой клин, 3— диск, 4—совок, 5 — периметр, ь — бульдозер 7 — грейдер, 8 — грейдер-элеватор, d — скрепер, 10 — рыхлитель, 11 — корчеватель, 12 — лопата экскаватора, 13 — драглайн, 14 — грейфер, 15—20 — рабочие органы 15 — многоковшовый цепной, 16 — многоковшовый роторный, 17 — роторный ковшовый с инерционной разгрузкой, 18 — скребковый цепной, 19 — роторный бесковшовыи с инерционной разгрузкой, 20 — плужнороторный, 21 — рыхлитель с наложением вибрации, 22—активный корчеватель носнои скорости, направленной вдоль оси х, определяется скоростью движения рабочего органа землеройной машины. Направление абсолютной скорости определяется расположением рабочей поверхности режущего клина в пространстве и видом деформации грунта. В период уплотнения грунта, до начала его сдвига, абсолютная скорость к рабочей поверхности режущего клина (рис. 3.7, а). При сдвиге без учета силы собственной массы грунта абсолютная скорость направлена под углом ib к горизонту (рис. 3.7, б):
ф = 90°
При движении слитной стружки абсолютная скорость направлена по биссектрисе угла, образуемого рабочей поверхностью клина и плоскостью срезания грунта (рис. 3.7, в). Относительную скорость находят как замыкающую треугольника скоростей. Картины скоростей на рис. 3.7, а — в приведены для работы прямого клика. Аналогичные схемы скоростей при воздействии на грунт косого клина показаны на рис. 3.7, а', & и s' для процессов уплотнения, сдвига и движения слитной стружки соответственно. Анализ картин скоростей позволяет определить траекторию движения грунта по рабочей поверхности и соотношение составляющих усилия резания. Для примера рассмотрим картину усилий, действующих на косой клин в период уплотнения пласта грунта. На рабочую поверхность косого клина дейст-
а ~ уплотнение; б — сдвиг; в — слитная стружка; а\ б', в' — соответствующие векторы скоростей
Рис. 3.7. Картины скоростей различных видов деформаций грунта прямым и косым клином (по В. П. Горячкину)
Рис. 3.6.
Схема резания клином
грунта
направлена перпендикулярно
(3.2)
вуют два усилия: усилие N, направленное нормально к поверхности, и усилие трения tg ф N, касательное к поверхности и направленное вдоль вектора относительной скорости. Определим составляющие усилия резания в проекциях на координатные оси (рис. 3 8): Рх = N cos 8 + tg 9 ЛГ sin S;    (3.3) Pz = N cos 0 — tg <f N ctg 5 cos 0;    (3.4) Pg = N cos £ — tg <fN ctg 8 cos £,    (3.5) сои клин грунта
где cos S, cos 0, cos £ — направляющие косинусы, определяющие положение рабочей поверхности косого клина относительно координатных осей; cos 8 = sin v sin ct; cos 0 = cos а;    ■ (3.6) cos £ = cos у sin a. , Для землеройных машин, как правило, заданным является усилие Рх, направленное вдоль вектора переносной скорости. Это усилие определяется мощностью привода Япр: PXZ=:N пр Idx, где vx— скорость движения рабочего органа, соответствующая переносной скорости иПер на схемах рис. 3.7. Для определения усилий, действующих на рабочие органы и машину в целом, нужно знать значения Pz и Ру при заданном Рх. Для этого, разделив значения Рг и Ру из выражений (3.4) и (3.5) на значение Рх из выражения (3.3), получим D _ cos в— tg ctg S cos в (3.7) (3.8 cos 8 + tg cp sin 5 Анализ последних выражений показывает, что значения Di и D2 зависят от углов установки рабочей поверхности инструмента. При углах резания меньших 40—45° (у рабочих органов экскаваторов) Di не превышает значения 0,3—0,4. Для рабочих органов бульдозеров и автогрейдеров с углами резания, доходящими до 60°, эти усилия снижаются до 0,1—0,2Рх. Они могут иметь даже отрицательное значение до —0,2РЖ, так как выталкивающая сила от трения грунта при движении по отвалу может превышать затягивающее усилие от действия нормального давления на рабочую поверхность. PX = DXPX\ cos 5 + tg ? sin 8 cos £ — tg f ctg 8 cos £ ’
Px=D2Px.
Из картины скоростей можно определить траекторию движения грунта относительно рабочего органа. Так, на схеме, представленной на рис. 3.8, грунт перемещается по траектории, наклоненной под углом со к передней режущей кромке. Это свойство косого клина использовано для рабочих органов автогрейдеров, универсальных бульдозеров, разравнивателей кавальеров, расположенных наклонно в плане. Характерная схема движения грунта под действием этих рабочих органов показана на рис. 3.5. В нижней части Рис. 3.9. Схема усилий, действующих на прямой клин грунта
отвал представляет собой косой клин, и грунт поднимается по его рабочей поверхности под углом со. В верхней части отвала имеется изогнутая цилиндрическая поверхность, край которой наклонен вперед. Доходя до этой зоны, грунт обрушивается вниз, после чего вновь поднимается косым клином. В результате такого движения он перемещается вдоль отвала и отодвигается в сторону. Рассмотрим усилия, действующие на наиболее часто встречающийся в землеройной практике прямой клин, являющийся частным случаем косого клина. При этом у=90° и соответственно в выражениях (3.6) cos0 = cosa; cosS = sina; cos? = 0,    (3.9) а выражение (3.3) приобретает вид PX=N sin a -)— tg cpTV cos a.    (3.10) Это выражение можно преобразовать в виде Рх =-——(cos ср sin a -j- sin cp cos a),    (3.11) откуда находим Px = —-—sin (a-j-cp)=iV' sin a'.    (3.12) Геометрически зависимости (3.11) и (3.12) представлены на рис. 3.9, а, б, из которых видно, что действие реального клина идентично действию идеального клина без трения грунта о рабочую поверхность. Таким образом, реальный клин можно заменить идеальным, с углом резания а'=сс + ф и действующим на него нормальным усилием N' = Njcos ф. Такой заменой пользуются для упрощения схем разложения сил, действующих на прямой или косой клин. Рассмотрим далее схему усилий, действующих на пласт грунта при его срезании. Для упрощения задачи предположим, что сдвиг происходит по плоскости, и силами веса пренебрегаем. На плоскость, расположенную под некоторым углом 0 (рис. 3.10) внутри пласта грунта, действуют два усилия: нормальное (3.13) sin (a+<?-[-6). (3.13') Рис. 3.10. Схема усилий, действующих на срезанный пласт грунта
N cos (ct +- ср + 0); касательное cos <
Эти усилия вызывают соответствующие напряжения: нормальное PN sin I
(3.15)
bh PK sin
касательное
где b — ширина пласта; h — толщина пласта. Согласно уравнению Кулона сопротивление сдвигу равно £4=T + atgp.    (3.16) Подставив в выражение (3.16) значения а и т из формул (3.14) и (3.15), получим , _ N sin 0 sin (a + f + 0 + p)
N sin 0 cos (a + <p + 0) bh cos 9 N sm В sin (a + <p + 0)
bh cos f cos p
(3.17)
bh
Найдем, при каком значении 0 приобретает максимальное значение k4, т. е. под каким углом 0 произойдет сдвиг грунта: N -[cos 0 sin (a-f<p-|-0-|-p)+sin 0 cos (a+cp-f 0-f-p)]=O.
bh cos <p cos p
k',-
(3.18)
Разделив уравнение (3.18) на cos0cos(а+ф + 0 + р), получим
a + <p + 0 = 90°
(3.19)
Определив значение нормального усилия из выражения (3.17) и подставив значение 0 из выражения (3.19), получим k^bh cos f cos p Для определения Рх подставим значение нормального усилия из выражения (3.20) в выражение (3.12). Тогда hbh cos р sin (ct Ч- <р) х    /а+<р-}-р\ COS2    ------- Это выражение упрощенно можно представить в виде Px=kxbh,    (3.2 2) где k\ — удельное сопротивление резанию. Процесс резания грунта рабочим органом землеройной машины неизбежно сопровождается трением последнего о грунт, взаимным трением грунта и перемещением призмы волочения. Трение происходит и по рабочей поверхности режущего инструмента при заполнении емкости, разгоне грунта до скорости его перемещения, а также при внедрении режущего инструмента в грунт. Сумма всех указанных сопротивлений составляет сопротивление грунта копанию: рк=Яр -ь ягр + Рпр + рз + рй + р„.    (3.23) Рассмотрим значения отдельных составляющих этого сопротивления. Сопротивление резанию Рр=Рх в общем виде определяют из выражения (3.22). Сопротивление трения рабочего органа о грунт равно /5xp=:(Mp.o + Mrp)gtg<p,    (3.24) где Мр.о — масса рабочего органа; Мгр — масса грунта, вмещаемого рабочим органом. Сопротивление трения грунта при перемещении его перед рабочим органом в виде призмы волочения Рпр=Мlipg tg р,    (3.25) где Мир — масса призмы волочения. Сопротивление, возникающее при заполнении грунтом емкости рабочего органа Р3, зависит от формы и геометрических размеров последнего. При этом следует отметить, что сопротивления перемещению призмы волочения и заполнению емкости рабочего органа тесно связаны между собой, так как трение грунта о грунт при перемещении призмы волочения является внешней силой, преодолевающей сопротивления заполнению емкости рабочего органа. Сопротивление грунта разгону, обусловленное инерционными нагрузками, в общем виде равно: РИ = Пуъ/2,    (3.26) где Я — объемная производительность машины; у— плотность разрыхленного грунта; v — скорость перемещения рабочего органа. Сопротивление внедрению в грунт режущего инструмента PB=lbKkBJ,    (3.27) где I — длина режущей кромки, одновременно внедряющейся в грунт; Ьк — толщина режущей кромки; квя — удельное сопротивление вдавливанию режущей кромки в грунт. Из последнего выражения (3.27) следует, что сопротивление грунта внедрению рабочего органа зависит от длины его кромки, одновременно внедряющейся в грунт. Этим и объясняется эффективность применения зубьев при работе на плотных скалывающихся грунтах. Следует обратить также внимание на влияние призмы волочения на сопротивления грунта резанию: от призмы волочения в области резания создаются дополнительные нормальные напряжения на плоскости сдвига, чем обусловлено увеличение сопротивления сдвигу под действием усилия резания. Это обстоятельство учитывают при конструировании рабочих органов землеройных машин, вынося переднюю режущую кромку из зоны действия призмы волочения, а также элеваторной загрузкой скреперов и др. Подробнее сопротивление грунта копанию для различных видов рабочих органов будет рассмотрено ниже при описании рабочих процессов различных типов землеройных машин. Основоположником теории резания грунтов являеад В. П. Горячкин. Н. Г. Домбровский, который развил эту теорию, рекомендует применительно к ковшам экскаваторов определять значение касательной силы сопротивления грунта копанию по выражению Px=pN-jr kbh-}-e(l-\-qn?)qka,    (3.28) где jo, — коэффициент трения ковша о грунт; N — давление ковша на грунт; k — удельное сопротивление грунта резанию; е — коэффициент сопротивления грунта наполнению ковша и перемещению призмы; <7пр — объем призмы волочения в частях от емкости ковша; kH — коэффициент наполнения ковша. Для практических расчетов Н. Г. Домбровский рекомендует пользоваться упрощенным выражением Px = k'bh = k'F,    (3.29) где k' — удельное сопротивление грунта копанию, включающее в себя сопротивления грунта резанию, трению при перемещении призмы грунта и заполнению ковша. А. Н. Зелениным и Ю. А. Ветровым разработаны уточненные методы расчета сопротивления грунта копанию для различных конкретных условий, подтвержденные обширными экспериментальными данными. Так, Ю. А. Ветров рекомендует учитывать не только площадь проекции ножа, но и площадь боковых разрушаемых сечений массива грунта (рис. 3.11). Он рекомендует определять силу резания простым острым ножом как Я^^св + ^бок + Люк. ср>    (3.30) где РСв=РсвЫг — сила сопротивления передней грани ножа; Рбок = = P6oK&26oK/i2ctgY — сила сопротивления разрушению грунта в боковых расширениях прорези; Рбок.сР = 2рбок.сР(1— &бок)/г — сила сопротивления грунта срезу боковыми ребрами ножа; b — ширина ножа; h — толщина срезаемого пласта (стружки); рс в, Рбок, Рбокср — удельные сопротивления грунта резанию; у — угол сдвига боковых расширений прорези; &док — отношение глубины бокового сдвига к общей толщине срезаемого пласта. А Н. Зеленин экспериментально установил зависимость усилия резания периметрами от глубины резания в виде P~kbhn, причем для практических расчетов я=1,35. Отмечая, что дробный показатель степени вызывает неясность в физическом толковании получаемой размерности, А. Н. Зеленин указывает на возможность замены значения kbh1’35 = {Ah2 + bh) k = F0k, где F0 — условная площадь сечения разрушаемого грунта. Для резания ножом без учета собственного веса пласта, базируясь на работах С. С. Соколовского, А. Н. Зелениным получено выражение типа
На основании изложенного для практических расчетов при анализе рабочих процессов одноковшовых и многоковшовых экскаваторов в грунтах до IV категории включительно можно принимать    выражение Рис 3.11. Зоны действия составляющих силы резания острым ножом (по Ю А. Ветрову)
Н. Г. Домбровского, в котором F определяется как общая площадь разрушаемой части грунтового массива. У землеройно-транспортных машин сопротивление перемещению грунта и заполнению емкостей рабочих органов превалируют над сопротивлениями резанию и определять сопротивление копанию нужно с учетом затрат энергии на перемещение грунта. При расчетах сопротивлений копанию прочных и мерзлых скалывающихся грунтов рабочими органами, оснащенными зубьями, можно пользоваться формулой (3.30) Ю. А. Ветрова, учитывающей сопротивления по боковым и нижней граням инструмента. В предварительных расчетах обычно задается производительность машины при работе на грунтах различных категорий и по ней определяют мощность привода рабочего органа. Для уточнения расчетов исходя из выбранной установочной мощности привода можно определить производительность машин на грунтах различных категорий. В этом случае предпочтительным является энергетический метод расчета, не связанный с формой и размерами сечения стружки. Умножим левую и правую части выражения (3.29) на путь L, проходимый рабочим органом за некоторый период времени. Тогда PxL = kbhL = ksbhL,    (3.31) где bhL — объем вынутого грунта; PXL — работа, затраченная на разработку данного объема грунта. В выражении (3 31) коэффициент k3 приобретает физическое значение удельной энергоемкости копания, он имеет размерность Н-м/м3 и численно равен k в выражении (3.29). Разделим левую и правую части уравнения (3.31) на время, в течение которого рабочим органом был пройден путь L: РxLlt=kbbhLlt или N = kbn=kll,    (3.32) где Я— производительность, м3/с; N — мощность, затрачиваемая на копание, Вт; k3 — удельная энергоемкость, Н-м/м3. Для одноковшовых экскаваторов принимают следующие значения k: для грунта I категории (по ГОСТ 17343—71) — l,105-f--2-105 Н-м/м3; II категории—2- 105ч-3-105; III категории—3-105~ -f-4-105; IV категории — 4- 10F-f-6-105. Для землеройно-транспортных машин, вырезающих стружки относительно крупного сечения, удельную энергоемкость резанию (без учета дополнительных затрат энергии, входящих в удельную энергоемкость копания) следует принимать: для I категории потому же ГОСТу k = 1 • 105-f-l,5-105 Н-м/м3; II категории—1,5н-2,5; III категории — 2,5-^3,5. Грунты выше III категории без предварительного рыхления этими машинами не разрабатывают. Приведенные данные следует рассматривать как средние, с учетом использования рабочих органов с прямоугольным режущим периметром, на толстых сечениях стружек, при скоростях, не превышающих 1—2 м/с и с углами резания 25—40°. Как будет показано ниже, форма сечения стружки и характер режущего периметра существенно влияют на удельную энергоемкость копания. Рассмотренная ранее картина усилий резания относится к случаю, когда толщина снимаемой стружки велика по сравнению с толщиной режущей кромки и сопротивлениями вдавливания ее, как штампа в массив грунта, можно пренебречь. В большей или меньшей степени сопротивление вдавливанию проявляется при работе ковшей экскаваторов и других рабочих органов землеройных машин, которые из условий прочности изготовляют с достаточно толстыми стенками (6—40 мм). В процессе копания перед режущей кромкой образуется ядро уплотнения грунта (рис 3.12). Если толщина стружки невелика и сопоставима с толщиной режущей кромки, то возникает усилие, выталкивающее рабочий орган из грунта. Это усилие не компенсируется вертикальной составляющей нормального давления грунта на поверхность клина и должно локализоваться усилием напора. Усилие напора, в свою очередь, повышает силы трения рабочего органа о грунт, что увеличивает энергоемкость рабочего процесса копания. Зависимость этого показателя от соотношения между толщинами снимаемой стружки и режущей кромки показано на рис. 3.13. При толщине стружки менее двух- или трехкратной толщины режущей кромки энергоемкость копания резко возрастает, причем при больших соотношениях она асимптотически приближается к постоянному значению. Учитывая изложенное, при конструировании рабочих органов землеройных машин следует по возможности уменьшать толщину режущих кромок и повышать износостойкость, применяя высокопрочные материалы и наплавки, а также конструктивно, обеспечивая самозатачивание кромки при износе. С другой стороны, целесообразно копать грунт толстыми стружками. На величину сопротивления грунта копанию заметно влияет угол резания и задний угол инструмента. С увеличением угла ре- Рис. 3.12. Расположение ядра уплотнения перед режущим клином
Рис. 3.13. Зависимость энергоемкости копания от соотношения между толщиной стружки и толщиной режущей кромки зания угол наклона плоскости сдвига грунта -ф (см. рис. 3.6) уменьшается и площадь сдвига увеличивается. Вследствие этого сопротивление грунта резанию возрастает: при углах резания до 30—40° медленно, при больших — быстрее. Следует при этом иметь в виду, что при малых углах резания путь перемещения грунта увеличивается; это увеличивает призму волочения и вызывает дополнительные потери на трение грунта о рабочий инструмент. Необходимо также иметь в виду, что для исключения трения на нижней кромке режущего клина нужно обеспечивать задний угол резания 6 = 5—8°, а угол заострения самой режущей кромки должен удовлетворять условиям прочности; его нельзя выполнять острее 25—30°. Учитывая перечисленные требования, углы резания выбирают в пределах а = 30—40°, упрочняя верхние грани режущих кромок. Важно соотношение между длиной режущей кромки и площадью сечения стружки, чем меньше длина режущей кромки по сравнению с площадью вырезаемого сечения, тем ниже удельное сопротивление копанию. С увеличением абсолютных размеров срезаемой стружки, что происходит при ковшах большой емкости, площадь сечения, йропорциональная квадрату линейных размеров, растет быстрее, чем длина режущей кромки, которая пропорциональна линейным размерам. Соотношение между длиной режущей кромки и площадью сечения в этом случае уменьшается. При увеличении сечения стружки, вырезаемой ковшовым рабочим органом в 3 раза, удельное сопротивление копанию снижается на 30—40%. Изложенное указывает на то, что при выборе режима работы машины необходимо стремиться к резанию стружками больших сечений при минимальной длине режущей кромки. Сложной задачей является выбор оптимальной скорости резания грунта. Обычными для землеройных машин являются скорости резания порядка 0,5—2,0 м/с. В этих пределах удельное сопротивление копанию с увеличением скоростей существенно не изменяется, если сохраняются постоянные сечения снимаемых стружек. При увеличении скоростей резания до 6—9 м/с (например, на ротационных рабочих органах с инерционным выбросом грунта) энергоемкость процесса копания возрастает на 30—50%. Следует, однако, иметь в виду, что с увеличением рабочих скоростей при неизменных геометрических размерах рабочего органа его производительность возрастает прямо пропорционально скорости. Это обеспечивает компактность и малую массу рабочего органа и машины в целом. При выборе рабочих скоростей должны учитываться все эти факторы. Таблица 3.1 Влияние степени блокирования стружки на сопротивление резанию Форма струтки Эскиз Блокированная Полу5локиро6аннт Деблокиробанная S/Щ// 77/7,
Грунт можно вырезать различными видами стружек: блокированной, срезаемой по трем граням, полублокированной — по двум граням, и деблокированной — по одной грани. Влияние степени блокирования стружки на величину удельного сопротивления резанию показано в табл. 3.1. Из этих данных следует, что деблокирование стружки существенно снижает удельное сопротивление резанию. При этом чем меньше ширина стружки по сравнению с высотой, тем больше сказывается ее деблокирование. Экскаваторы, использующие поперечную и веерную схемы копания, разрабатывают грунт полублокированными стружками. В траншейных экскаваторах стружка деблокируется специальной расстановкой зубьев, при которой каждый зуб обеспечивает крупный скол грунта. Зубья на режущей кромке рабочих органов устанавливают для получения опережающего сдвига и разрыхления грунта. Однако в сыпучих и вязких грунтах применение режущего органа с зубьями может привести к отрицательным результатам. Зубья, снижающие сопротивление резанию плотных, скалывающихся грунтов, ухудшают условия перемещения их в ковши, так как для подпора разрыхленного грунта требуется большая призма волочения. При наличии зубьев режущая кромка ковша изнашивается намного меньше; зубья же применяют из износоустойчивых материалов, что повышает долговечность рабочих органов. Профиль зуба показан на рис. 3.14, а. При таком расположении зуба по отношению к режущей кромке глубина борозды, прорезаемой зубом, будет равна. h0=L3 sin (8/2-f-&3),    (3.33) где р — угол заострения зуба; б3 — задний его угол; L3 — длина Расположение зубьев на режущей кромке ковша показано на рис. 3.14, б. Если принять, что плоскость сдвига грунта расположена под углом >45°, то расстояние между зубьями для избежания износа режущей кромки должно составлять
Рис. 3.14. Расположение зубьев на режущей кромке ковша.

&o^£2/io.
Ширину зубьев b определяют исходя из условий прочности, так как при их расчете необходимо учитывать возможность реализации полного тягового усилия на одном зубе, встретившем препятствие. а — профиль зубьев; б — расположение зубьев на ковшах; в — то же, на ковшах цепи
На ковшах многоковшовых экскаваторов зубья располагают в шахматном порядке, как показано на рис. 3.14, в. При этом зубья последующего ковша снимают выступы, оставшиеся после прохода предыдущего, чем обеспечивается наибольшее деблокирование резания и наибольший эффект от применения зубьев. Д И. Федоровым были исследованы режущие кромки различной формы: прямые, заостренные, полукруглые, с зубьями и без них. При этом были доказаны преимущества полукруглой режущей кромки по рис 3.15, при которой режущий периметр средней своей частью вынесен вперед. Плавные очертания полукруглой режущей кромки способствуют свободному прохождению грунта по рабочей поверхности без образования призмы волочения. Особенно эффективно постепенное увеличение радиуса рабочей поверхности, что расширяет поток грунта и исключает его смятие. При этом весь ^деформированный грунт забирается ковшом без потерь Полукруглая режущая кромка дает возможность использовать прочную форму режущего органа и выполнять его более тонким, чем при прямоугольном сечении. Благодаря этому ковш лучше внедряется в грунт и создается организованный поток его. Применение полукруглой режущей кромки без зубьев может дать экономию удельной энергоемкости до 20—25% На основе изложенного рабочие органы машин для земляных работ должны удовлетворять следующим требованиям: обеспечивать минимальную энергоемкость процесса резания с отделением разрабатываемого грунта от массива без непродуктивных затрат энергии на деформирование неразрабатываемого грунта; затраты энергии на перемещение разработанного грунта в емкости (ковши) или к транспортирующим органам для последующего перемещения к месту укладки должны быть минимальными, обеспечивать выполнение заданных технологических операций (движение рабочего органа в стесненных условиях, точность планировки и т. д.); должна соблюдаться правильная геометрия процесса резания при задаваемой траектории движения рабочего органа (сочетание рабочих движений и подачи в плоскости резания или перпендикулярной плоскости, сочетание движений поворота рукояти и ковша и т. п.); режущие элементы должны обладать прочностью, износостойкостью и самозатачиваться; должна обеспечиваться возможность применения быстросъемных сменных изнашивающихся элементов. § 3.3. Особенности разрушения прочных и мерзлых грунтов
Для разрушения прочных и мерзлых грунтов применяют как специальные рабочие органы, так и обычные. Вследствие повышенной прочности грунта требуется подводить больше энергии к забою или изменять способ воздействия на грунт. Основными способами разрушения прочных грунтов являются из перечисленных в § 3.1 механический, взрывной и термический. Ведутся также работы по использованию токов высокой частоты, электрогидравлического, ультразвукового (звукового) и химического воздействия на грунт. В настоящее время доминирует способ механического разрушения прочных и мерзлых грунтов — им выполняется более 75% объема работ. Способ разрушения грунтов при малой скорости приложения силового воздействия называют статическим. Так как сопротивление прочных и мерзлых грунтов разрушению в процессе скола (отделения элемента стружки) изменяется весьма значительно в малые промежутки времени, то в отличие от обычных грунтов этот термин к прочным грунтам можно принять чисто условно. Амплитуда изменения силы резания прочных и мерзлых грунтов составляет в среднем 0,7 среднемаксимальной величины. Такие колебания силы обусловливают и динамические воздействия на рабочее оборудование и динамичность самого процесса разрушения грунта. При разработке таких грунтов преобладающую часть силы копания составляет сопротивление резанию, тогда как силы, необходимые для преодоления сопротивления перемещению призмы волочения, заполнению ковша и т. п., не играют значительной роли. Нагрузку при статическом разрушении грунтов повышенной прочности нужно прикладывать более сосредоточенную, чем на мягкие грунты: это необходимо для получения на поверхности контакта достаточного высокого давления для внедрения инструмента в массив грунта. Из-за весьма больших сил резания и высокого напора (см. § 2.3) необходимо увеличивать прочность, а следовательно, размеры и массу рабочих органов и машины в целом. Этим обусловлена целесообразность применения для разработки мерзлых и прочных грунтов дополнительных способов воздействия, при которых энергия подводится к инструменту непосредственно, и нагрузки, действующие на машину, существенно снижаются. При повышении скорости приложения нагрузки к мерзлому или скальному грунту можно увеличить эффективность рабочего процесса, так как уменьшаются затраты энергии на пластическую деформацию грунта; при скоростях, близких к скорости распространения пластических деформаций, он разрушается как хрупкое тело. Сдвига грунта ^ не происходит в том случае, если скорость деформирования больше динамической скорости распространения напряжений сдвига ит: ®т = Кт0/р,    (3.34) где то — предельное касательное напряжение грунта; р — его объемная масса. В динамическом разрушении грунта, происходящем при практически мгновенном приложении нагрузки, значительную роль играют дефекты его структуры (поры, трещины, каменистые включения и т. п.). Разрушение происходит в наиболее слабых местах, а дефекты структуры в прилегающей еще неразрушенной области увеличиваются — развиваются опережающие трещины. Одним из видов динамического воздействия на грунт является ударное. В начальный период при внедрении ударного рабочего органа в грунт перед ним образуется уплотненное ядро; при проявлении в грунте предельных напряжений начинают образовываться трещины, обусловливающие отделение части массива. Возникающие в грунте при ударе упругие волны распространяются на значительные расстояния, вредно сказываясь на фундаментах прилегающих сооружений; кроме того, при движении массы груза, наносящего удары, неизбежны динамические нагрузки на базовую машину. Виброударные и вибрационные устройства позволяют уменьшить массу рабочего органа и всей машины за счет большей частоты силовых импульсов. При достаточной частоте приложения нагрузки (1000 Гц и более) упругие напряжения в грунте не успевают полностью компенсироваться в периоды между ударами и накапливающиеся деформации увеличивают дефекты структуры, что обеспечивает разупрочнение грунта. Вибрация рабочего органа позволяет уменьшить тяговое усилие из-за ослабления сил сцепления между частицами грунта. Способ взрывного разрушения достаточно широко применяют для разработки мерзлых и прочных грунтов. При взрыве заряда ВВ окружающий массив испытывает давление стремительно расширяющихся газообразных продуктов, что смещает и разрушает прилегающие к месту взрыва слои грунта. В нем распространяются ударные волны, разрушающие или колеблющие грунт. Этот способ достаточно эффективен и не требует больших трудозатрат, хотя и дорог. Основным преимуществом взрывного способа является быстрота выполнения крупных объемов земляных работ в труднодоступных местах (болота, горные условия). В последние годы успешно применяют удлиненные заряды ВВ, например шланговые, укладываемые в прорезаемые в грунте щели (щелевзрывной способ получения протяжных выемок). Короткозамедленное взрывание зарядов и устройство компенсирующих щелей дают возможность уменьшить расход взрывчатых веществ и лучше рыхлить грунт. Термический способ разрушения заключается в неравномерном нагреве прочных грунтов и горных пород путем подведения к ним тепловой энергии. Так как теплопроводность этих сред достаточно низкая, локальное тепловое воздействие вызывает неравномерное расширение породы, что разрушает некоторый ее объем. Чем выше скорость нагрева отдельного участка, тем интенсивнее разрушается порода. Нагревать прочный грунт можно раскаленными газами, электрическим током промышленной частоты, пропускаемым через среду, высокочастотной электромагнитной энергией, инфракрасным и световым (лазерным) облучением. Термический способ из-за высокой энергоемкости более выгодно применять для разрушения камня, негабаритов, при добыче полезных ископаемых. Комбинировать способы термического и механического воздействия целесообразно для разработки больших объемов прочных и мерзлых грунтов. Способ электрогидравлического разрушения среды основан на использовании высоковольтного электрического пробоя в воде, вызывающего мгновенное ее расширение. Воду можно заливать в полость, образованную в грунте или горной породе, или в рабочую камеру породоразрушающего инструмента. Электро-гидравлический эффект позволяет получать в импульсе мощности, в сотни и тысячи раз превышающие мощность источника энергии, а также непосредственно преобразовывать электрическую энергию в механическую. Давление в полости разряда может достигать тысяч атмосфер при длительности разряда в несколько микросекунд. В разрушаемой породе возникает крутой фронт ударной волны, разрушающий породу. Сущность способа ультразвукового или звукового разрушения состоит в передаче колебаний торца инструмента разрушаемой породе непосредственно или через суспензию абразива, подаваемого к зоне разрушения. Во втором случае колеблющиеся зерна абразива внедряются в породу и разрушают ее. При непосредственной передаче колебательной энергии разрушаемой среде в ней возникают упругие волны, которые при плотности энергии Вт/см2 или более разупрочняют или разрушают прочный грунт. Физические способы разрушения пород в настоящее время проводят опытно-промышленные испытания, а некоторые из них применяют в промышленности. Наиболее перспективно применение комбинированных воздействий на прочные и мерзлые грунты, при которых физическое воздействие разупрочняет их структуру, а разрушение происходит механическим способом. При химическом разрушении льдоцементных связей между частицами грунта применяют хлориды (хлористый натрий, калий и т. п.) и некоторые другие композиционные смеси. Хлориды оказывают воздействие только на верхний слой мерзлого грунта, не превышающий 5—10 см. Однако эти химические соединения представляют опасность для окружающей среды и рабочих органов машин, что резко ограничивает применение химического способа. ГЛАВА 4 ПРИВОДЫ МАШИН ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ Привод включает в себя силовое оборудование (установку), трансмиссию и систему управления, предназначенные для приведения в действие рабочих органов и механизмов машины. На машинах для земляных работ сочетают силовые установки с различными трансмиссиями и системами управления. Требования к приводу машины определяют особенности технологии производства работ, условия эксплуатации и режима ее нагружения. От технологии зависит последовательность включения и реверсирования механизмов, совмещение их действия. Работа отдельных машин в составе комплексов требует постоянной готовности их к действию. Условия эксплуатации машины — работа на открытом воздухе в любое время года и суток на резко пересеченной местности, с различными климатическими и грунтовыми условиями и зачастую вдали от населенных пунктов — определяют требования высокой надежности всех механизмов машины, возможности работы при кратковременных перегрузках, простоты технического обслуживания и ремонта, работоспособности при больших поперечных и продольных уклонах рельефа и в условиях бездорожья, а также независимости от внешних источников энергии. Из-за необходимости в частой и быстрой переброске машин с одного места на другое различными видами транспорта они должны быть компактными, иметь малую массу, быстро переводиться из транспортного положения в рабочее и наоборот, а также должны быстро разбираться и собираться. Затраты энергии на единицу вырабатываемой продукции должны быть минимально возможными. К одной из специфик машин для земляных работ относится неравномерность нагрузки рабочих органов. От характера изменения нагрузок зависит режим работы машины и ее привода. Режим работы машины определяют в зависимости от возможных колебаний нагрузки по величине и времени, продолжительности нагрузки п непрерывной работы, коэффициента включений, скорости и ускорения движений, частоты реверсирования. Коэффициент включения представляет собой отношение продолжительности работы под нагрузкой tH ко всему рабочему времени tp, %• Различают три режима работы машин для земляных работ: легкий, средний и тяжелый (табл. 4.1). Таблица 4.1 Характеристика режимов работы машин для земляных работ Режим работы ^макс^ср Коэффи циент включения Число включений в 1 ч Типы машин Легкий Средний Тяжелый Примечан 1,1—1.3 1,5—2,0 и е* ^макс н аибольшая 20—30 До 30 (максимал Автогрейдеры Скреперы прицепные, грейдер-элеваторы Одноковшовые экскаваторы, бульдозеры, скреперы самоходные ьная) нагрузка; Рср — средняя на- грузка. § 4.1. Характеристика приводов и силовых установок На машинах для земляных работ используют три основных вида привода: механический, гидравлический и электрический. Приводы устраивают также комбинированные — электрогидравличе-ские или гидромеханические. В качестве силовых установок на машинах для земляных работ применяют двигатели внутреннего сгорания (чаще всего дизельные) и электродвигатели постоянного или переменного тока. По количеству двигателей различают одномоторные и многомоторные приводы, которые иногда называют групповым и индивидуальным. В индивидуальном приводе для каждого механизма имеется своя силовая установка, в групповом все механизмы или отдельные группы приводятся в действие от одной силовой установки. Индивидуально-групповой привод является комбинацией двух первых. Вид привода должен соответствовать режиму и условиям работы машины. Мощность N, расходуемую приводом на выполнение рабочих операций, ограничиваемую величиной максимальной мощности силовой установки Лтмакс, определяют как произведение N=Pv или N = M®,    (4.1) где Р, М — усилие и момент сопротивления, преодолеваемые исполнительными механизмами; v, ш — линейная и угловая скорости этих механизмов. Мощность силовой установки рационально используется в тех случаях, когда с увеличением или уменьшением внешней нагрузки привод обеспечивает соответствующее изменение моментов с одновременным изменением рабочих скоростей. Режим нагрузки силовых установок машин для земляных работ является, как правило, неустановившимся, т. е. носит переменный характер. Нагрузка колеблется непрерывно в течение рабочего цикла. Особенно изменяются нагрузки силовых установок у одноковшовых экскаваторов, скреперов и бульдозеров; у автогрейдеров колебание нагрузки несколько меньшее, двигатель же грейдер-элеватора работает при нагрузках, близких к постоянным. При работе двигателей на неустановившихся режимах нагрузки снижается их мощность, ухудшается топливная экономичность и уменьшается срок службы. Механическая или внешняя характери-
Рис. 4.1. Внешние характеристики: а —. приводов; б — силовых установок; 1 — электродвигателя постоянного тока с параллельным возбуждением; 2 — дизеля с регулятором; 3 — трехфазного асинхронного электродвигателя; 4 — электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением стика привода выражает зависимость скорости перемещения ра-бочего органа от момента или усилия на нем. На рис. 4.1 показаны внешние характеристики различных видов приводов. Если с увеличением нагрузки на рабочем органе незначительно снижается скорость движения последнего, то характеристику привода называют жесткой (рис. 4.1, а кривая 1-1'). В этом случае мощность, отбираемая от силовой установки, как видно из формулы (4.1), непостоянна — она зависит от нагрузки. Силовая установка при этом сильно перегружается. Регулирующие возможности такого привода ограничены. Применять привод с жесткой характеристикой целесообразно при устойчивом режиме работы механизма без часшх перегрузок или применении силовой установки с соответствующим запасом мощности. При мягкой характеристике (кривая 2-2') с ростом нагрузки резко уменьшается частота вращения вала двигателя, она может стать равной нулю при значительной величине усилия или момента на рабочем органе. Привод будет работать в стопорном режиме. Идеальной по использованию мощности силовой установки внешней характеристикой привода является такая, которая при любом изменении внешних нагрузок обеспечивает постоянство потребляемой МОЩНОСТИ' N = N макс1!— const,    (4.2) где г| — коэффициент полезного действия трансмиссии. Эту характеристику выражают зависимостью v—N/P или <o=N/M,    (4.3) т. е. при jV=const характеристика описывается гиперболой (кривая 3-3'). В диапазоне больших скоростей она является мягкой, а при малых скоростях — жесткой. Такие характеристики необходимы для бульдозеров, грейдер-элеваторов, машин для подготовительных работ и др. Рациональная для одноковшовых экскаваторов характеристика (кривая 4-4') обеспечивает жесткость до предельного значения момента или усилия, после которого она становится мягкой и дает возможность приводу перейти в стопорный режим. Таким образом, при мягких характеристиках привод имеет свойство саморегулироваться, т. е. автоматически снижать частоту вращения при перегрузке, соответственно увеличивая величину передаваемого крутящего момента, или увеличивать скорость при снижении нагрузки, повышая тем самым производительность машины. В машинах для земляных работ наиболее целесообразны такие приводы, которые обеспечивают максимальное использование установленной мощности при высоком КПД, имеют мягкую характеристику, хорошо воспринимают динамические нагрузки, а также такие, которыми легко управлять. Реальные механические характеристики распространенных типов силовых установок показаны на рис. 4.1, б. При изменении крутящего момента на валу дизельного двигателя на 50—60% незначительно изменяется частота вращения; у карбюраторного же двигателя она практически не изменяется, т. е. эти силовые установки имеют жесткую характеристику. Иная картина наблюдается у дизеля с гидротрансформатором и электродвигателя постоянного тока с параллельным возбуждением, когда с ростом нагрузки от нуля до максимума частота вращения изменяется от минимального значения до нуля. § 4.2. Силовое оборудование У машин для земляных работ основным видом силового оборудования являются дизельные двигатели внутреннего сгорания со следующим рядом мощностей: 12—16, 30—40, 50—55, 65—80, 120— 135, 175—220, 275—320, 440—880 кВт. Двигатели внутренного сгорания применяют для этих машин как с непосредственной механической передачей на исполнительные механизмы рабочих органов, так и с различными преобразователями, которые обеспечивают защиту двигателей и всех конструкций машин от внешних перегрузок. Преобразователи целееообраз-чо применять тогда, когда внешние характеристики двигателей внутреннего сгорания не соответствуют режиму работы машин. К преимуществам двигателей внутреннего сгорания относятся: независимость их от источника внешнего питания, относительно высокий КПД (у дизелей 25—37%), малая масса на единицу мощности (3—5 кг/кВт), небольшой расход горючего (0,22— 0,25 кг/кВт- ч). К недостаткам двигателей внутреннего сгорания следует отнести: невозможность реверсивной работы, малый предел регулирования скорости на одной передаче, высокую стоимость эксплуатации, жесткие требования к качеству топлива, сравнительно малую долговечность (3000—4000 ч работы), большую чувствительность к перегрузкам, трудность эксплуатации при низких температурах, потребность в фрикционных, гидравлических или других муфтах для передачи движения от двигателя к трансмиссии. На некоторых машинах для земляных работ устанавливают электрические или комбинированные дизель-электрические приводы. Силовой установкой такого привода является генератор, питаемый от внешней сети, или агрегат, сочетающий дизельный двигатель с генератором. Генераторы питают током электродвигатели постоянного или переменного тока, приводящие исполнительные механизмы рабочего оборудования. Двигатели переменного тока просты в управлении, надежны и удобны в эксплуатации, могут выдерживать кратковременно большие перегрузки. Существенный недостаток электропривода с двигателями переменного тока состоит в том, что он фактически не может саморегулироваться. Применение же сопротивлений для смягчения характеристики приводит к большим потерям энергии и увеличению массы привода. Для регулирования скоростей применяют различные варианты, например систему электропривода с тормозным генератором постоянного тока, сочлененным с валом двигателя. По этой схеме момент тормозного генератора регулируют изменением тока возбуждения и величины сопротивления в цепи якоря. В электрических приводах некоторых экскаваторов применяют асинхронные крановые электродвигатели трехфазного тока напряжением 220 и 380 В с короткозамкнутым ротором при мощности от 7 до 8 кВт или с контактными кольцами при большей их мощности. Двигатели с короткозамкнутым ротором удобны в управлении, но для пуска их требуется большой ток (пусковой момент) и у них невозможно регулировать скорость. Поэтому такие двигатели применяют только для привода лебедок с небольшим усилием и вспомогательных механизмов. Двигатели с контактными кольцами удовлетворительно работают при частых пусках в торможениях, у них можно регулировать частоту вращения. Управляют такими двигателями вручную (контроллером) или автоматически при помощи магнитных (контакторных) станций. Электродвигатели постоянного тока можно считать наиболее приемлемыми для приводов землеройных машин с тяжелым режимом работы. Несмотря на то что массы и габаритные размеры таких приводов в 1,5—2,5 раза больше любых других, на некоторых экскаваторах устанавливают многомоторные приводы по схеме «генератор — двигатель» Г—Д или ТГ—Д (трехобмоточный генератор— двигатель) с злектромашинным или магнитным усилителем. На некоторых машинах такие приводы выполняют с одним генератором постоянного тока, приводимым в действие сетевым двигателем или дизелем. Режим работы генератора при таких схемах хорошо согласовывается с характеристикой приводного двигателя; полностью используется мощность силовой установки даже при изменении нагрузок в широком диапазоне. Этот привод обеспечивает бесступенчатое регулирование скорости (рис. 4.1); при этом выполняется условие (4.2). Преимущества электропривода следующие: постоянная готовность к работе, простога конструкции, пуска, управления и реверсирования, высокий коэффициент полезного действия, возможность удачной компоновки, получение мягкой характеристики, дистанционное управление, а также относительно малые размеры и масса. К недостаткам электропривода относятся зависимость от источника энергии и большая стоимость комбинированного привода. На машинах для земляных работ в последние годы широко применяют гидравлические приводы. Они являются вторичными, так как получают энергию от насосов, приводимых электродвигателями внутреннего сгорания. Гидравлические приводы работают при давлении от 6,3 до 31,5 МПа и более. В качестве рабочих жидкостей в них используют масла: индустриальное М12А, веретенное АУ, авиационное AM Г и ВМГЗ. Гидравлический привод обладает рядом преимуществ по сравнению с другими видами: он имеет сравнительно небольшую массу и габариты насосов и гидромоторов, возможность получения больших передаточных чисел, которые могут достигать 1000 и более. Небольшая инерционность передач, обеспечивающая хорошие динамические свойства привода, увеличивает долговечность машины и позволяет включать ее и реверсировать рабочие движения за доли секунды, что повышает производительность машины. Гидропривод обеспечивает бесступенчатое регулирование скорости движения рабочих органов, что дает возможность повышать коэффициент использования приводного двигателя и автоматизировать не только отдельные операции, но и целые технологические процессы. При наличии гидропривода улучшаются условия работы машиниста, уменьшаются затраты энергии на управление машиной независимо от мощности привода, повышается безопасность работы. Узлы привода можно размещать на машине наиболее целесообразно: насос у приводного двигателя, гидромоторы — непосредственно у исполнительных органов, элементы управления — у пульта машиниста. Приводной двигатель, система привода, металлоконструкции и рабочие органы надежно предохраняются от перегрузок, благодаря применению предохранительных и перепускных клапанов. Кроме того, в системах гидропривода широко применяют стандартизированные и унифицированные узлы (насосы, гидромоторы, гидроцилиндры, гидроаппаратура), что снижает себестоимость гидропривода и облегчает его эксплуатацию и ремонт. К недостаткам гидропривода относятся: снижение КПД при использовании длинных трубопроводов, потребность в специальных жидкостях для различных климатических условий, необходимость тщательного наблюдения за состоянием соединений и возможность утечек рабочей жидкости, большая по сравнению с механическим стоимость изготовления. § 4.3. Трансмиссия Трансмиссией называют систему устройств, посредством которых передается движение от силовой установки к механизмам и рабочим органам машины. Трансмиссия позволяет изменять по величине и направлению развиваемые силовой установкой скорости, крутящие моменты и усилия. По способу передачи энергии трансмиссии машин для земляных работ подразделяют на механические, электрические, гидравлические, пневматические и комбинированные. Все они, кроме механических трансмиссий, имеют участки, на которых механическая энергия первичной силовой установки преобразуется в энергию других видов (электрического тока, рабочей жидкости, сжатого воздуха), а затем снова в механическую. В комбинированных трансмиссиях такое преобразование может происходить неоднократно. Любая трансмиссия представляет собой разомкнутую систему, имеющую вход и выход. Вход ее соединен с силовой установкой, а выход — с исполнительным механизмом рабочего органа. К основным параметрам входа и выхода относятся: момент Л1ВХ(7ИВЫХ) или усилие РВх{Рвъш), угловая скорость соВх(соВых) или линейная ь'вх(г>выхЬ а также мощность iVBX(jVBbи). Показателем, оценивающим эффективность работы трансмиссии как системы, является коэффициент полезного действия Л=А^ВЬ1Х/А^ВХ;    (4.4) •^выхывых .    ^вых^вых    /■ Л Л----) Л——т.-•    (’•ч/ Л'1вх°'нх    ■* вх^вх Отношение Юрых/овх (Увых/явх) характеризует способность трансмиссии преобразовывать величину угловой (линейной) скорости и называется передаточьым отношением г0. Отношение Мвых/Мвх (Рвы\/Рвх) дает представление о возможности трансмиссии преобразовывать величины момента (усилия). Это отношение называют коэффициентом преобразования момента (усилия) /£пр. Таким образом, для любой трансмиссии справедливо выражение 'П=^прг’о-    (4-6) Важным показателем трансмиссии является степень ее прозрачности. Прозрачностью трансмиссии называют способность ее передавать колебания внешней нагрузки силовой установке. В прозрачных трансмиссиях любые колебания внешней нагрузки передаются силовой установке, что усложняет режим и снижает экономичность работы последней. Поэтому для облегчения режима работы силовой установки и предохранения ее от перегрузок предпочтительны трансмиссии с меньшей степенью прозрачности. Следует отметить, что полностью прозрачные трансмиссии отсутствуют. Механические трансмиссии подразделяют на редук-торные и канатно-блочные. Первые представляют собой системы редукторов в сочетании с различными передачами (зубчатыми, карданными, цепными, ременными и др.). Составными частями вторых служат лебедки и канатные полиспасты с направляющими блоками. Важными элементами механических трансмиссий являются муфты и тормоза. Редукторы предназначают для отбора и распределения мощности силовой установки между механизмами машины, а также для изменения величины и направления силовых потоков. Компоновка редукторов зависит от типа машины и размещения на ней потребителей энергии. Редукторные трансмиссии могут передавать движения только на короткие расстояния. При относительно больших размерах передач (на бульдозерах, скреперах, экскаваторах) обычно используются канатно-блочные трансмиссии. Положительными качествами механических трансмиссий являются относительная простота, сравнительно небольшая масса и стоимость, а также достаточная надежность в работе. К их недостаткам следует отнести значительные потери энергии в муфтах и тормозах, зубчатых и других передачах, ступенчатое изменение скоростей и моментов, сложность компоновки передачи при большом числе скоростей, затруднительность автоматизации управления рабочим процессом машины. Для расширения диапазона регулирования скоростей и крутящих моментов приходится усложнят*, конструкции трансмиссий, что ухудшает надежность и ремонтопригодность машины. Существенным недостатком механических трансмиссий является их полная прозрачность. Значительный эффект даег совмещение механических трансмиссий с гидромеханическими. Последние обеспечивают быстрый разгон и торможение, хорошо гасят крутильные колебания, выполняют функции автоматических бесступенчатых коробок скоростей, согласовывают работу механизмов, получающих энергию от одного приводного двигателя. Поэтому гидромеханические трансмиссии широко применяют в машинах для земляных работ. Гидродинамические трансмиссии выполняют с гидромуфтами и гидротрансформаторами (рис. 4.2). Их особенность состоит в отсутствии жесткой связи между ведущей и ведомой частями. Мощность передается за счет кинетической энергии рабочей жидкости, воздействующей на лопасти рабочих колес. Гидромуфта (рис. 4.2, а) имеет два рабочих колеса: насосное Н и турбинное Т. Первое соединяют с двигателем, второе — с ведомым элементом 1 трансмиссии. Оба колеса образуют замкнутое кольцевое пространство — рабочую полость, которую заполняют жидкостью. Лопатками насосного колеса, приводимого во вращение двигателем, жидкость отбрасывается к периферии рабочей полости и попадая на лопатки турбинного колеса, приводит его во вращение. Затем жидкость снова поступает к насосному колесу. Рис. 4,2. Принципиальные схемы гидродинамических трансмиссий: £L—'Гидромуфты; б — гидротрансформатора, 1 — ведомый элемент; 2— турбинное колесо; 3 — насосное колесо, 4 — рабочая жидкость; 5 — корпус; 6 — двигатель; 7 — реактор Поскольку активные диаметры рабочих колес гидромуфты одинаковы, а их лопасти, согласно второму закону Ньютона, воспринимают одинаковое сопротивление рабочей жидкости, в процессе работы постоянно обеспечивается равенство моментов насосного и турбинного колес: (4.7)
У14н=-Жг. Коэффициент полезного действия гидромуфты с ростом нагрузки на турбинном валу уменьшается. Величина момента, передаваемого насосным колесом гидромуфты, ограничена — она зависит от скорости вращения насосного колеса, плотности рж рабочей жидкости и активного диаметра D гидромуфты (наибольший диаметр рабочей полости). При постоянной скорости о)н максимальное значение момента где Ян — коэффициент крутящего момента насосного колеса. 62 На практике удобнее пользоваться частотой вращения насосного колеса ян = 30сон/я. Подставив г]п вместо сош после соответствующего преобразования получим Ма MaKCf= 1,08 • 10-V^2D5_    (4.9) Если момент нагружения турбинного вала Мт достигнет максимальной величины, турбина остановится. При этом мощность flJr станет равной нулю, так как мт = 0, мощность же Мя достигнет своего максимального значения, и муфта начнет проскальзывать. Коэффициент полезного действия муфты обратится в нуль. Так как на любом режиме работы гидромуфты соблюдается равенство (4.7), коэффициент преобразования момента в ней Ктм = Мг/Мв=1. Тогда КПД гидромуфты составит Лгч -^"гм^'гм ^'г п где 1ГМ — передаточное отношение гидромуфты. Равенство КПД муфты передаточному отношению является отличительной особенностью гидромуфт. Гидромуфта не предназначена для преобразования величины и направления крутящего момента. Она может служить лишь надежной защитой механических трансмиссий и силовых установок машин для земляных работ от перегрузок. Гидротрансформатор (рис. 4.2, б) состоит из трех рабочих элементов: насосного колеса Н, закрепленного на ведущем валу, турбинного колеса Тг жестко посаженного на ведомый вал, и неподвижного направляющего аппарата. Межлопаточные каналы этих рабочих элементов заполняют, как и в гидромуфте, циркуляционной жидкостью. Благодаря наличию направляющего аппарата при изменении внешней нагрузки в гидротрансформаторе преобразуются не только скорость вращения, но и крутящий момент. Уравнение моментов для гидротрансформатора имеет вид МТ=-(МИ + М,).    (4.10) Анализ этого уравнения показывает, что при одинаковых значениях моментов насосного Мн и роторного Мр колес абсолютная величина крутящего момента турбинного колеса Мт будет больше момента Мя. Это свидетельствует о том, что гидротрансформатор может преобразовывать крутящий момент. Следовательно, в отличие от гидромуфты коэффициент преобразования крутящего момента, называемый в этом случае коэффициентом трансформации, не равен единице. Величина Мт меняется в пределах от 2 до 6. Гидротрансформаторы в трансмиссиях землеройных машин могут выполнять роль бесступенчатых редукторов, плавно и автоматически изменяющих величины крутящих моментов. Это значительно облегчает управление машиной и дает возможность повысить ее производительность. Гидротрансформатор надежно предохраняет трансмиссию и двигатель от перегрузок, а срок службы двигателя и агрегатов трансмиссии увеличивается. Однако из-за сравнительно низкого КПД гидротрансформатора возникает необходимость увеличивать мощность силовой установки на 10—15%, что снижает экономичность машины. Общий недостаток гидромеханических трансмиссий — возможность передавать мощность только на незначительные расстояния, ограниченные их габаритными размерами; кроме того, они совершают только вращательное движение. Независимо от этого гидромеханические трансмиссии широко применяют на экскаваторах, самоходных скреперах, колесных бульдозерах и погрузчиках. Более совершенны по сравнению с гидромеханическими гидрообъемные трансмиссии. В конструкцию такой трансмиссии входят насосы, гидромоторы, гидроцилиндры, соединяющие их рабочие линии высокого (напорные) и низкого (сливные, всасы-вающе, подпиточные) давления, а также регулирующие и вспомо-. гательные устройства. На машинах для земляных работ устанавливают аксиальнопоршневые регулируемые и нерегулируемые насосы и гидромоторы, радиально-поршневые высокомоментные гидромоторы, шестеренные насосы и гидромоторы, реже—пластинчатые гидромоторы и насосы. Для приведения в действие элементов рабочих органов с поступательным движением (подъема и опускания стрелы экскаватора, ковша скрепера, отвалов бульдозеров и автогрейдеров, поворота рукояти и ковша экскаватора и др.) используют гидроцилиндры диаметром от 40 до 250 мм и длиной от 80 до 6000 мм, как правило двухстороннего действия. Регулирующие устройства (распределители, дроссели, регуляторы, клапаны) изменяют в процессе работы величину и направление потока жидкости от насоса к гидромоторам, а также ограничивают давление в гидросистеме и предохраняют трансмиссию от перегрузок. Различают распределители золотниковые и крановые. Последние из-за недостаточной герметичности применяют в системах с низким давлением (до 1 МПа). Золотниковые распределители могут быть секционными и моноблочными. Число распределителе# определяется количеством приводимых в действие исполнительных органов, а число позиций и их тип — требованиями к управлению и конструкцией рабочих органов. В большинстве случаев на экскаваторах, скреперах, автогрейдерах и грейдер-элеваторах применяют трехпозиционные золотники, а на бульдозерах и погрузчиках — четырехпозицнонные. Управление распределителями предусмотрено ручное с пружинным возвратом из включенных позиций или с фиксацией во всех положениях. В последние годы в связи с внедрением автоматических устройств в управлении рабочими органами машин для земляных работ применяют золотники с электрогидравлическим управлением. Отечественная промышленность серийно выпускает гидрораспределители с ручным управлением типа Рис гидравлическим или элек-трогидравлическим управлением типа РГ, которые легко автоматизировать. К вспомогательным устройствам гидротрансмиссий относят резервуары (баки), фильтры, центрифуги, теплообменники, дренажные линии и др. Особое внимание при работе гидростатических трансмиссий следует обращать на чистоту рабочей жидкости. Исследованиями, выполненными в Ленинградском инженерно-строительном институте под руководством Г. А. Седлухи, установлено, что при работе машин для земляных работ количество загрязненной рабочей жидкости иногда увеличивается в 10—12 раз по сравнению с требованиями ГОСТ 17216—72. Это, в свою очередь, сокращает срок службы насосов, гидродвигателей и контрольно-регулирующей аппаратуры в 2—2,5 раза по сравнению с чистой рабочей жидкостью. • В этом институте разработано семейство центрифуг, которые можно использовать для очистки жидкости машин для земляных работ. Они имеют лучшую очищающую способность, чем фильтры, и неограниченный срок службы, что повышает надежность и долговечность гидропривода землеройных машин, работающих в запыленной среде. По конструкции гидростатические трансмиссии подразделяют на открытые и закрытые. В первых жидкость из бака подается насосом к исполнительному механизму (гидроцилиндру) и, совершив работу, возвращается в бак, во вторых жидкость из сливной полости исполнительного механизма возвращается во всасывающую полость насоса. По возможности регулирования различают трансмиссии нерегулируемые и регулируемые. В последних количество жидкости, поступающей в гидродвигатель в единицу времени, может изменяться за счет изменения сопротивления участка трубопровода (дросселированием) и регулированием производительности насоса путем изменения рабочего объема (объемное регулирование). По количеству насосов (потоков) различают трансмиссии однопоточные и многопоточные. В однопоточных питание гидродвигателей происходит от одного насоса или группы их, подающих рабочую жидкость в одну линию. В многопоточных гидродвигатели питаются двумя или более насосами, которые подают жидкость в несколько напорных линий. Схему гидростатической трансмиссии с нерегулируемыми насосами и дроссельным регулированием скорости (рис. 4.3) применяют в приводах рабочих органов и механизмов, движение которых имеет установочный характер (например, в приводе подъема отвалов бульдозера и автогрейдеров, ковшей скреперов и одноковшовых экскаваторов). Насосом 3, приводимым от двигателя 4, рабочая жидкость из бака 1 подается по напорной линии 5 через обратный клапан 8 к распределителю 10. Четырехпозиционный распределитель управляет двумя спаренными цилиндрами 11. Использование такого распределителя обеспечивает установку плавающего положения рабочего органа при свободном движении его по грунту. Из распределителя рабочая жидкость по сливному трубопроводу 14 возвращается в бак. Для очистки рабочей жидкости в гидросистеме устанавливают фильтр 13 или центробежный очиститель 15 с переливным клапаном 12, перепускающим жидкость при засорении фильтра 13. Манометры 7 позволяют контролировать давление в напорной и сливной линиях Оба манометра снабжены кранами 6. Вентиль 2 позволяет перекрывать всасывающую гидролинию В системе гидравлического привода такого типа устанавливают предохранительный клапан 9 и переливной клапан 12 Первый перепускает рабочую жидкость в сливную магистраль при встрече рабочего органа с труднопреодолимым препятствием, предохраняя гидравлический привод от выхода из строя. Второй предотвращает разрушение сливного трубопровода и фильтрующего элемента при его критическом загрязнении. Рис. 4 3. Гидравлическая схема открытой гидростатической трансмиссии с дроссельным регулированием Закрытую схему с объемным регулированием скорости движения применяют для привода рабочих органов, постоянно работающих во время технологического цикла машин, например привода рабочего хода экскаваторов непрерывного действия, многоковшовых погрузчиков и конвейеров грейдер-элеваторов (рис. 4.4). Отсутствие дросселирования рабочей жидкости в таких системах позволяет снизить непроизводительные затраты энергии на нагрев рабочей жидкости, что повышает КПД гидравлической системы и улучшает ее тепловой режим. Применение насосов переменной производительности с регуляторами мощности позволяет автоматически изменять скорости рабочих органов в зависимости от внешней нагрузки. С увеличением скорости исполнительных органов при уменьшении нагрузки повышается производительность машин. Уменьшение же скорости при увеличении нагрузки позволяет снизить динамические нагрузки и повысить надежность машины. Привод гидромотора 12 выполнен от регулируемого реверсивного насоса 7, управление которым осуществляется через гидроусилитель 6, питающийся от насоса 3 К насосу 7 прикреплена клапанная коробка, включающая обратные клапаны 8, распределитель 9 и переливные клапаны 10 и 13 Рабочая жидкость подпит очного насоса 18 поступает во всасывающую линию насоса 7 через обратные клапаны 8, а ее избыток поступает на слив через распределитель 9 и перепускной клапан 10 Давление в линии насоса 13 регулируют настройкой переливного клапана 10. Распределитель 9 с гидравлическим }правлением под действием разности давлений в напорной и всасывающей линиях насоса 7 перемещается так, что с клапаном 10 соединяется всасывающая пиния Таким способом обеспечивается об иен рабочей жидкости между замкнутой системой насос 7—• гидромотор 12 и системой подпитки, в которую входят насос 18, теплообменник 15, фильтр с перепускным клапаном 14 и бак 1 Через перепускные клапаны 13 рабочая жидкость переливается из нагнетательной линии гидромотора 12 в сливную; эго устройство смягчает динамические нагрузки в момент разгона и резкого торможения рабочего органа Для контроля давления в системе установлены манометры 5, 11 и 16 с кранами 4, а для контроля температуры рабочей жидкости в гидросистеме имеется термометр 17 Вентили 2 позволяют менять насосы 3 и 18. /2 131 13 Z
Рис 4 4 Гидравлическая схема закрытой гидростатической трансмиссии с объемным регулированием
Первая схема является примером однопоточной открытой трансмиссии. вторая — закрытой. § 4.4. Системы управления Система управления машинами состоит из приборов и устройств (муфт, тормозов, фрикционов, распределителей и др.), позволяющих контролировать работу элементов привода и воздействовать на него изменением величины и направления скоростей, моментов и усилий в соответствии с технологическим процессом Системы управления современными машинами для земляных работ должны обеспечивать надежную работу, быстроту приведения в действие рабочих органов, плавность их включения и выключения, безопасность работы, легкость и удобство работы оператора. Для облегчения управления машиной в системе управления нужно иметь минимальное число органов (рукоятей, педалей, кнопок). Регулирование системы управления должно быть доступным, простым и надежным, а количество регулировок — минимальным. Положение органов управления машиной должно давать оператору представление о направлении движения рабочих органов. По назначению различают системы управления муфтами, тормозами, двигателями и установкой рабочих органов. В зависимости от конструктивного исполнения системы управления разделяют на механические рычажные, гидравлические, пневматические, электрические и комбинированные (гидромехани- 6    ческие, электропневматические Ц_У    и др.). '•    1    Су четом степени ав Рис. 4.5. Принципиальная схема гидравлической системы управления непосредственного действия
томатизации системы управления подразделяют на неавтоматизированные, полуавтоматические и автоматические. Неавтоматизированные системы в зависимости от характера использования мускульной энергии машиниста для привода управления могут быть непосредственного действия или с усилителями (системы с сервоприводом). В первом случае машиной управляют за счет мускульных усилий, прилагаемых машинистом к рычагам или педалями. Во втором случае для воздействия на привод применяют какие-либо источники энергии (электрической, гидравлической, пневматической), а машинист лишь включает и выключает элементы привода системы управления. В полуавтоматических системах автоматизирована управление только некоторыми операциями. При полной автоматизации роль оператора сводится к подаче сигналов о начале и окончании работы, а также к настройке системы на определенную программу управления рабочим процессом машины. Любая из систем управления состоит из следующих основных частей: пульта управления с размещенными на нем органами управления (рукоятками, педалями, кнопками и приборами); системы передач (тяг, рычагов, распределителей, золотников, трубопроводов и т. д.); исполнительных органов, включающих и выключающих двигатели, тормоза и другие устройства. Основными параметрами систем управления являются: усилие, развиваемое на исполнительном органе, скорость движения рабочего звена исполнительного органа, число и продолжительность включений в час, быстрота срабатывания и КПД. Особенность систем управления непосредственного действия заключается в том, что на их работу не расходуется мощность силовой установки. Эти системы могут быть механическими и гидравлическими. В первых усилие руки или ноги машиниста передается исполнительному органу с помощью системы рычагов и тяг, а во вторых—рабочей жидкостью. Затраты мощности на управление в любых случаях не должны превышать средних физических возможностей машиниста, равных при длительной работе 40— 50 Вт. Механические системы управления на машинах для земляных работ нецелесообразно применять из-за их несовершенства. В гидравлической системе управления непосредственного действия (рис. 4.5) усилия машиниста с органа управления передаются рабочей жидкостью, которая при нажатии на педаль 7 из напорного цилиндра 5 по гидролинии 4 вытесняется в рабочий цилиндр 3 и перемещает его поршень. Последний связан с рычагом 9 исполнительного механизма 1 (тормозом или муфтой). Утечки жидкости пополняются из бачка в. Рис. 4.6. Принципиальная схема гидравлической системы управления с гидроаккумулятором
Система возвращается в исходное положение пружинами 2 и 8.    ^ Положительным качеством системы управления непосредственного \ действия является возможность регулирования рабочим процессом в широких пределах, обеспечивающая плавность включения. Недостаток их заключается в значительной физической нагрузке на машиниста. Для облегчения его труда на мацш-ных предусматривают систему управления усилителями. В системах управления в настоящее время применяют усилители гидравлического, пневматического и электрического действия. В любом случае усилитель представляет своего рода трансмиссию, передающую часть мощности силовой установки машины для включения исполнительных органов рабочего оборудования и механизмов. Для включения исполнительных механизмов рабочего оборудования на машинах для земляных работ широко применяют гидравлические, пневматические и электрические системы управления с приводом от основного или специального двигателя. В качестве усилителей в гидросистемах управления целесообразно применять гидростатические передачи. Для предотвращения пульсации рабочей жидкости и поддержания ее давления на определенном уровне используют гидроаккумуляторы. Схема простейшей системы гидравлического управления с гидроаккумулятором дана на рис. 4.6. Рабочая жидкость из бака 1 насосом 2 подается через обратный клапан 3 в коллектор высокого давления 9 пульта управления и одновременно в гидроаккумулятор 4. Попадая в последний, жидкость давит на поршень 5, сжимает пружину 6, усилие которой поддерживает определенное давление в системе. При достижении рабочего давления шток 7 гидроаккумулятора воздействует на клапан-пилот 8, соединяющий напорную магистраль со сливной маги-стралью коллектора низкого давления 10, и жидкость через фильтр 11 сливается в бак. Это устройство разгружает насос и уменьшает его износ.
<<< 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