Дорожно-строительные машины и комплексы


ДЛЯ ВУЗОВ
ДОРОЖНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ И КОМПЛЕКСЫ
•МАШИНОСТРОЕНИЕ*
НОВЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ДОЛЖНЫ ОБЕСПЕЧИВАТЬ ВЫСОКОЕ КАЧЕСТВО, НАДЕЖНОСТЬ. ЭЛЕКТРОНИЗАЦИЮ. ЭРГО-HOMHMFf KHF СВОЙСТВА И КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТЬ ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН
Получение новых технических решений метопами универсализации, использования отходов, разделения объекта на части
6. ВЫПОЛНЕНИЕ РАЗНЫМИ ЧАСТЯМИ ОБЬЕКТА РАЗЛИЧНЫХ ФУНКЦИЙ: перейти от однородной структуры к неоднородной
4- УНИВИЧ'АЛМККТЬ    А. oft-ьект выполняется многоцеле вым, отпалаегг необходимость в других объектах
ДОРОЖНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ И КОМПЛЕКСЫ Под общей редакцией д-ра техн. наук, проф. В. И. Баловнева Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебника для студентов вузов, обучающихся по специальности ’’Строительные и дорожные машины и оборудование”
МОСКВА «МАШИНОСТРОЕНИЕ»
ББК 39.311-06-5 УДК 625.08 + 625.76.08 (075.8) Авторы: В. И. Баловнев, А. Б. Ермилов, А. Н. Новиков, Г В. Куста-рев, В. Ю. Мануйлов, Г. С. Мирзоян, Б. А. Бондарович, С. О. Брайловский, А. Ульман, Г. С. Тыро Рецензенты: кафедра строительных и дорожных машин Харьковского инженерно-строительного института, д-р техн. наук Э. Н. Кузин Дорожно-строительные машины и комплексы: Учебник Д69 для вузов по спец. «Строительные и дорожные машины и оборудование»/В. И. Баловнев, А. Б. Ермилов, А. Н. Новиков и др.; Под общ. ред. В. И. Баловнева. —М.: Машиностроение, 1988. — 384 с.: ил. ISBN 5-217-00090-2 В учебнике, написанном специалистами СССР при участии специалистов ГДР и ПНР, изложены основы теории и проектирования, особенности расчета и конструкции машин для строительства и содержания дорог и аэродромов, восстановления и ремонта дорожных покрытий. Рассмотрены вопросы применения САПР и ЭВМ при проектировании, способы обеспечения надежности и оценки эффективности на этапе проектирования, взаимодействие рабочих органов со средой, выбор основных параметров. 3204010000—086 Д "038 (Щ=88-86“88    ББК 39-311-06-5 ISBN 5-217-00090-2 (6) Издательство «Машиностроение», 1988 Строительное, дорожное и коммунальное машиностроение является важной отраслью народного хозяйства. Продукция отрасли составляет основу комплексной механизгции, автоматизации и роботизации технологии гражданского, индустриального, дорожного и аэродромного строительства. Развитие народного хозяйства страны тесно связано с расширением сети автомобильных дорог, увеличением объема работ по содержанию, ремонту и реконструкции действующих магистралей, ссоружению, содержанию, ремонту и реконструкции аэродромов. Выполнение этих мероприятий на базе высокоэффективной доршно-строитель-ной техники и оборудования обеспечивает существенную экономию материальных, энергетических и трудовых ресурсов в народном хозяйстве страны. В «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986—1990 годы и на nepnoz до 2000 года» указано, что в строительном, дорожном и коммушльном машиностроении необходимо сосредоточить внимание в первую очередь на изготовление машин, механизмов, инструментов и других изделий, позволяющих существенно повысить технический уровень строительного производства, резко сократить применение ручного труда. Важно обеспечить производство системмашин, средств механизации и инструмента, необходимых для комплексной механизации строительных процессов. Увеличение объема производства предстоит обеспечить путем повышения производительности труда. Необходимо существенно повысить технический уровень и качество выпускаемых машин и оборудования, сократить сроки проведения научных исследований и разрамэток на основе широкомасштабного использования новейших достижений науки и техники и передового опыта. Высшей организационной ступенью конструггивных разработок дорожной техники является блочно-модульный метод проектирования на основе САПР. Он обеспечивает значительное сокращение сроков создания новой техники, повышение степени унификации и взаимозаменяемости элементов. Научно-технический прогресс в строительной, дорожном и коммунальном машиностроении в двенадцатой пягилетке должен осуществляться в основном путем технического перевооружения предприити. Прсд}и>ш1риич^1^л 1Л*сдрс:;::с г; г.рс"^^сд?','г’г' вых технологических процессов и гибких переналаживаемых систем, механизация и автоматизация, обеспечивающие повышение производительности труда, увеличение объемов производства, улучшение качества продукции, экономию материальных и топливно-энергетических ресурсов. Выполнение отраслью сложных технических и экономических задач невозможно без надлежащего решения социальных вопросов, связанных с подготовкой кадров, повышением их технического уровня, внедрением прогрессивных форм труда и всемерным улучшением его условий. Технология дорожного и аэродромного строительства, реконструкции и эксплуатации дорог и аэродромов предусматривает использование систем машин различного назначения. Закономерности рабочих процессов машин, методы их проектирования и расчет рассмотрены в настоящем учебнике. Материал соответствует учебной программе дисциплин и специальности «Строительные и дорожные машины и оборудование». Основу материала составляют научные положения по проектированию, теории и расчету рабочих органов и основных подсистем машин и комплексов. По назначению и месту в учебном плане автомобильно-дорожных вузов и факультетов этот курс логически связывает между собой общетеоретические, общеинженерные и отраслевые дисциплины. Такая роль курса определилась с первых этапов организации подготовки инженера-механика по подъемно-транспортным, строительным и дорожным машинам и оборудованию. Изучение материала учебника обеспечивает подготовку специалиста в соответствии с требованиями народного хозяйства. Современное направление развития дорожных машин — создание машин многоцелевого назначения, в состав которых входит оборудование различного технологического назначения: режущие, смесительные, распределительные и уплотняющие рабочие органы, а также оборудование для сушки и разогрева материала. Такое развитие потребовало изменения структуры учебника. В отдельные главы выделены материалы, касающиеся теории взаимодействия рабочих органов со средой, а также методы тепловых расчетов рабочего оборудования, которые являются общими для дорожных машин различного назначения. Проектирование дорожных машин развивается на основе широкого использования методов математического, физического и комбинированного моделирования, оптимизации на базе ЭВМ, персональных ЭВМ, систем автоматизированного проектирования (САПР) и научных исследований (АСНИ), обеспечения надежности. Поэтому в учебнике дан материал по основам использования в отрасли САПР, методов формирования новых конструктивных решений и изобретательства, а также материал, касающийся особенностей расчета на прочность и надежность. В учебнике рассмотрена система показателей оценки эффек-uaimro Rwun rmnPK-TMTwPMvio мяитин\ оценивать по системе показателей — стоимости, производительности, сокращению трудовых, энергетических и материальных затрат, повышению показателей экологической эффективное^ и снижению < гепени загрязнения среды обитания. Последнее связано с тем, чго на смену преклонению перед природно-преобразовательной деятельностью человека приходит более осторожны» подход к перспективам преобразования окружающего мира на основе развития науки и техники. Технологический уклад, сшзанный с безудержным расходом сырьевых и экологических ресурсов планеты, обнаружил свою несостоятельность. Время дешевизны и доступности естественных ресурсов уходит в прошлое. Создание новых конструктивных решений на базе достижений науки и техники должно быть тесно связано с более строгой оценкой ожидаемого эффекта и экологического прогноза реализации Предисловие, главы 1 (кроме п. 1.6), 5, 6 (кромеп. 6.5), 7, 10, а также п. 3.2, 9.2, 9.3 и 9.4 написаны д-ром техн. наукпроф. В. И. Ба-ловневым; п. 4.1 —д-ром техн. наук проф. Б. А. Бондаровичем; п. 4.2. 4.3— канд. техн. наук доц. Г. В. Кустаревым; п. 2.1 — канд. техн. наук доц. Г. С. Мирзояном; п. 9.1. — канд. техн. наук доц. А. Б. Ермиловым; п. 6.5 — канд. техн. наук доц. А. Н. Новиковым; п. 1.6 — канд. техн. наук С. О. Брайлевским; п. 2.2, 2.3 и 2.4 — канд. техн. наук В. Ю. Мануйловым. Гл. 8 написана д-ром техн. наук проф. А. Ульманом (ГДР); п. 3.1 — д-ром техн. наук проф. Г. Тыро (ПНР). Для активизации изучения материала учебника студенту рекомендуется воспользоваться вопросами для самоконтроля. Контрольные вопросы по каждой главе даны в приложении. Изложение всего необходимого материала б ограниченном объеме встречает существенные трудности. Хорош представляя, что научно-методическое совершенствование каждой дисциплины имеет практически неограниченные возможности, авторы с благодарностью примут все критические замечания читателей. ГЛАВА 1 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ufOlbKi ИРОвАНИЯ ДОРОЖНЫХ МАШИН 1.1. ДОРОЖНЫЕ МАШИНЫ — ОСНОВА КОМПЛЕКСНОЙ МЕХАНИЗАЦИИ И АВТОМАТИЗАЦИИ СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ ДОРОГ И АЭРОДРОМОВ Дорожные машины в системе народного хозяйства. Автомобильный и воздушный транспорты являются важными составными частями народного хозяйства СССР. Решение проблем интенсификации народного хозяйства в значительной степени определяется темпами развития сети автомобильных дорог и аэродромов и укрепления производственно-технической базы дорожного хозяйства. Комплексная механизация и автоматизация строительства и эксплуатации дорог базируется на использовании систем и комплексов машин, обеспечивающих ускоренное производство работ по строительству, содержанию и ремонту дорог в различных климатических условиях. Создание и производство качественных, высокоэффективных видов, систем и комплексов машин различного назначения, обеспечивающих высокое качество работ, существенное повышение производительности и сокращение материальных, энергетических и трудовых затрат в строительстве, являются определяющей задачей строительного и дорожного машиностроения. Разработка высокоэффективных строительных и дорожных машин и комплексов обеспечивается научным и производственным потенциалом научно-производственных и производственных объединений отрасли: «ВНИИстройдормаш», «ВНИИСМИ», «Дор-маш», «Волгоцеммаш», «ВНИИЗеммаш», Орловского, Брянского, Челябинского, Кременчугского и др. Существенную помощь отрасли оказывают ведущие научные школы автомобильно-до-рожных, политехнических и строительных вузов страны: МАДИ, ХАДИ, СибАДИ, ЛПИ, ЯПИ, МИСИ, КИСИ, ДИСИ, СПИ и др. Отечественное строительное и дорожное машиностроение характеризуется высоким уровнем концентрации производства и крупносерийным выпуском основных видов дорожной техники. Темпы развития строительного и дорожного машиностроения, технический уровень и качество выпускаемого оборудования позволяют в основном обеспечивать выполнение растущих объемов работ по строительству и содержанию автомобильных дорог и аэродромов, капитальному строительству в области промышленности и сельского хозяйства, а также реконструкции предприятий. Выпуск качественной, высокоэффективной дорожной техники, отвечающей требованиям перспективного развития неполного хозяйства, в значительной степени зависит от качества продукции смежных отраслей, поставляющих двигатели, базовые тягачи, приборы автоматики, микропроцессорную технику, бортовые ЭВМ и другие комплектующие изделия. Требования, предъявляемые к дорожным машинам технологией строительства и эксплуатации дорог и аэродромов. Состав и структура систем и комплексов дорожных машин определяются требованиями технологии строительства и эксплуатации автомобильных дорог и аэродромов. Дорожные машины обеспечивают механизацию и автоматизацию всех технологических операций, составляющих процессы строительства покрытий, содержания и ремонта готового сооружения. Основными технологическими операциями строительства автомобильной дороги (рис. 1.1, а) являются подготовка земляного полотна* добыча и приготовление необходимых строительных материалов и их транспортирование, постройка водопропускных сооружений, дорожной одежды, переходов и элементов благоустройства. Основными операциями обеспечения надежной эксплуатации сооружения (рис. 1.1, б) являются работы по летнему содержанию дорог, зимнему содержанию дорог, разметки проезжей части» озеленению, ремонту и реконструкции всех элементов сооружения. Система машин для комплексной механизации и автоматизации строительства автомобильных дорог и аэродромов включает пять основных групп машин, определяемых их технологическим назначением: для строительства земляного полотна; для строительства дорожных одежд и покрытий; для строительства водопропускных сооружений (труб, мостов и др.) и укреплений откосов; для добычи и приготовления дорожно-строительных материалов; технологический транспорт. Система и комплекс машин для содержания и ремонта автомобильных дорог и аэродромов также достоят из пяти основных групп машин: для летнего и зимнего содержания; для маркировки проезжей части, содержания обстановки пути, озеленения и благоустройства; для ремонта земляного полотна, сооружений, водоотвода и полосы отвода; для ремонта и восстановления дорожных одежд и покрытий; для ремонта и содержания искусственных сооружений. Конструкция и параметры дорожных машин определяются специфическими особенностями строительства и каждой операции технологии производства соответствующих видов работ: линейной протяженностью работ и их удалением от производственных баз; частой повторяемостью, цикличностью и синхронизацией операций; жесткой регламентацией ряда операций во времени (охлаждением асфальтобетонной смеси и др.); увязкой производительности машин комплекта между собой и со скоростью технологического процесса; большими объемами транспортных операций; высоким качеством уплотнения; высокой точностью планировки; обеспече- нием высокой стабильности свойств строительных смесей и дру- T'TJ'V ЛТ'ПЛМ'ГОПХ.ТТТ.ТУ иотоптдяттли* TTPA^YO ТТИМПГТТ-.ТЛ    но- менклатуры ряда смесей и их свойств путем использования гибких автоматизированных производств (ГАП); увеличением объе- Рис. 1.1. Системные модели комплексной механизации работ и дорожной машины: а — по строительству автомобильных дорог; б — по содержанию и ремонту автомобильных дорог; в — по содержанию автомобильных дорог; г — варнгат модели дорожной машины о выделением основных подсистем Характер С передачей энергии непосредствен-    С передачей энер- С комбинированной подачей энергии к рабо> ему передачи    но к рабочему органу, в том чисде    гия к рабочему ор- органу — непосредственно и через движите. ь энергии к    для самоходных машин, минуя дви-    гану через движи- рабочему житель    тель органу
CU

та s S о
Ъ6
о =>2Я >ч Ж & Ж
t=c
я
S
5
*=;
Six ЕоЗ Л \о я О Л X О Си О ^ V S Си со 0> ^ К г
<Т> о о* »=t
£
«
1.1. Общая классификация дорожных машин
<L>
3    . зз    о н    я Си    -г О    о е    «
CQ
&о    я Ё &    3 5 ^    Ч Й о    sg S"°    3 Л Я    Оч
& он ° М £ Ч я О Я X « к Л £ О яз Н ^ S н
и 2 х s S Я 3 СЗ К Е рз Н Я е Ч я S O.0J К t О “ ' ' R С у
' О * СО <5 У S'0, К S Cut. S' «5 Ьн со ё &§ §,
р •в" X fa О 3 о. £ с £ °’й « * S S *■4 « н а
СЗ Я си <и £-* ч я та 5« «а
о о я я я SJ со 33 Р* с В И
Я Н К S о ^ Я CU а> со
^ я 2»я Й 8 О си
К О Я И *т* О
Я    я я    н <и    я Ч    £> я    Я
<U О
Ом
CQ
s §|s В" о I ^ ет< ЯС X <у j 5 (У Я S « еч С н- й) 00 S R. Еч ао ь
00 ^ я да к ф о S 0,0 о о сх о t=C I=t
СО    _ S &:i s:
»Я    0 ЕЯ    О ЕС    Ч СД <1>    СО Ч ЕС    Я trT    Си '~~4. О    о> *4    t СЯ    я >-,    я
s » со « СХ CD t* S
(=и г=г fcc3 К >> 5 Э" cf s
*    H о    к *5 о, я
»5
с*
к
Я <и <Ь 5 г? ^ £ *    fe Ч га    о    м о и    и    5 й о»    К ^ ч аз
3    « со ^ 4    я о Э я о 2 ьн - >>л си о н S я я о 5,8

, , СО Й U си я
со
U о
М
Я
Продолжение таб. . 1.1
в £• 2 о я * ж 1 я § §
О £ X о
6 я я о 2 о * а

6 >> 2 4 О " X
о < «СО
£
О itf с S § * о- 3 « н
*
то ж я
6 о § я
X о _ а, то О CQ ь- н о о СО »Я О о < а, о н * >.
с ^ 5 Б о я * и э Hs§ О* зв С 25
>• о
О ? t-u —. *•« s 5 s 3 ” S Й с ° я >-5 о У S- eg 03 — СХ Я Я со О х я
О а) о я Сь е~ О. 2 S £0 (“ 2§.§S й#*** S о
4-    — “    а    Л я    ж    £ н    ас    5 о    аз    3 Ю    Й    OJ J? О S а    а, *
в    S о    а> а.    я я    я со    <и я    *5 Я    CQ ТО    ТО <V с 2 >> V я
Д    я Ж    Н (D    то с    г 0)    о н    н , О    « то
аз 9“ 00 , . с СЗ О >->\о
S Й
>» хо я
Ж S?
CQ
мов работ по реконструкции дорог и необходимостью регенерации старого материала; использованием в качестве строительных материалов отходов производств, новых перспекгивных материалов (геотехстиля, поли-меров, композитов и др.), а также строительных конструкций высокой заводской готовности. При требуемом высоком качестве работ машины должны обеспечить существенное сокращение ручного труда, материальных и энергетмеских затрат; высокую надежность требуемого темпа строительства; эффективную эксплуатацию сооружения независимо от времени года и климатических условий и полностью отвечать требованиям эргономики, охраны труда и экологии. Высокий уровень строительства и эксплуатации сооружений обеспечивается рациональным выбором номенклатуры и типоразмера машин. Для выполнения ряда технологических операций дорожного строительства с успехом используют машины общестроительного назначения (для выполнения юдготовитель-ных и земляных работ общего характера, для производства щебня, получения и транспортирования цементобетонных смесей, а также для уплотнения грунтов и др.). Работы по строительству покрытий!, эксплуатации сооружений и другие содержат специфические опе-
рации, которые не могут быть выполнены машинами общестроительного назначения: точная профилировка основания, укладка, уплотнение и отделка поверхности уложенных в конструкцию сооружения материалов и смесей, точное формирование продольного и поперечного профиля покрытия, все операции по летнему и зимнему содержанию, ремонту и восстановлению покрытий и др. Дорожная машина представляет собой агрегат или несколько агрегатов, оборудованных одним или несколькими рабочими органами для выполнения одной или нескольких операций технологического процесса дорожного или аэродромного строительства в соответствии с производственными требованиями при минимальных затратах. Дорожная машина состоит из ряда основных подсистем (рис. 1.1, г): технологической (рабочие органы и движитель); энергетической (двигатель); управления и жизнеобеспечения, а также обслуживающего персонала. Основными отличительными признаками дорожной машины являются: наличие специализированного рабочего органа, выполнение работ за один цикл и непрерывность работы. Для размещения рабочих органов имеется рама оригинальной конструкции; для этого же широко используют стандартные шасси грузового автомобиля, трактора или колесного тягача. Комплексная механизация и автоматизация работ по строительству покрытий дорог и аэродромов основана на рациональном сочетании ряда машин общестроительного назначения и специальных дорожных машин. Общая классификация дорожных машин, определяемая производственными и конструктивными признаками машин и рабочих органов, • приведена в табл. 1.1. 1.2. ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ МАШИН ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ ДОРОГ И АЭРОДРОМОВ Анализ тенденции научно-технического прогресса и достижений технологии индустриального строительства позволяет выделить основные направления в развитии дорожных машин. Они обусловлены общими тенденциями развития машиностроения, требованиями научно-технической революции (НТР) и народного хозяйства страны. Современное состояние НТР определяется развитием микропроцессорного, роботизационного и биотехнологического направлений. Использование в машиностроении микропроцессорной техники обусловило появление поколения ЭВМ с искусственным интеллектом. Такие ЭВМ позволяют осуществлять ввод и вывод информации в виде образов и звуков, а также выполнять операции самопрограммирования. Роботизация производства основана на реализации достижений машиностроения, микропроцессорной техники и ЭВМ в автоматах и роботах. Это приводит к интеллектуализации роботов и обеспечивает возможность их эффективного использования в строительстве. Основные направления развития строительного и дорожного машиностроения определяются развитием гехноло1 ии дорожного и аэродромного строительства и задачами интенсификации строительного производства. Первое направление включает проблемы повышения качества, надежности, конкурентоспособности и экологических свойств машин. Их показатели реализуются в каждом поколении строительных и дорожных машин и на более высоком уровне. Главной задачей этого направления является повышение показателей безотказности, долговечности, ремонтопригодности и осуществление мероприятий технического обслуживания. Все это решается наиболее экономично и в полном объеме на этапе проектирования и производства. Для создания высокоэффективных, автоматизированных многоцелевых машин требования к надежности и увеличению срока службы повышаются. В новых конструкциях дорожных машин обеспечивается значительно меньший объем работ по техническому обслуживанию. Для этого используют оборудование с увеличенным периодом между операциями по техническому обслуживанию, централизованным смазыванием и управлением от бортовой ЭВМ, с высокоэффективными фильтрами, модульной компоновкой, обеспечивающей легкий доступ к узлам с групповым расположением элементов, требующих частого обслуживания. Для обеспечения удобства диагностирования конструкций применяют узлы со встроенными диагностическими системами с индексацией данных на приборной панели, где указывается место и характер дефекта, в результате чего экономится время на поиск и устранение неисправности. Разрабатываются методы и средства повышения эргономических и экологических качеств машин и их конкурентоспособности. Широко используют сидения с регулируемыми параметрами, адаптирующиеся системы управления, активные системы гашения колебаний в широком диапазоне частот и амплитуд; обеспечивается звукоизоляция кабины, снижение загазованности и пыли, температурный комфорт. Кабины оборудуют системой защиты оператора при опрокидывании машины и падении на кабину посторонних предметов, используют сигнальные датчики, блокирующие устройства, системы аварийного торможения, проблесковые огни, звуковую сигнализацию " и др. Для повышения конкурентоспособности машин улучшаются: эстетическое оформление машин, организация сервисного технического обслуживания и обеспечения запасными частями. Новые машины по технико-экономическим показателям должны превосходить лучшие из существующих и обладать патентной чистотой. Второе направление характеризуют проблемы электронизации, касающиеся широкой автоматизации и роботизации дорожных машин на базе достижений микропроцессорной техники и использования ЭВМ. Создается автоматизированная техника, обеспечивающая интенсификацию раоочих и транспортных процессов, позиционирование рабочих органов и облегчение труда оператора по управлению агрегатами, оптимальные режимы работы и дистанционное управление машинами. Микропроцессорные системы с обратными связями обрабатывают сигналы от датчиков по программам оптимального протекания рабочего процесса. Перспективное направление составляет роботизация строительного производства — создание строительных роботов, способных осуществлять все рабочие операции, предусмотренные технологией, автоматически без участия человека. Разработан ряд перспективных электронных устройств и систем: единые системы управления, в которых датчики устройств управления и предупредительной сигнализации, а также модули дисплеев объединены в один блок; устройства с синтезаторами речи, предназначенные для преодоления затруднений, связанных с недостаточной быстротой считывания информации с приборов операторами, потерей четкости зрительного восприятия, а также избавляющие операторов от необходимости отвлекаться от визуальных наблюдений за обстановкой при управлении машиной; вспомогательные устройства, которые позволят даже неопытным операторам повышать производительность машины; лазерные устройства для планировочных работ в сочетании с электронными управляющими системами, обеспечивающими работу в ночное время, что повышает эффективность использования машин. Третье направление включает решение проблем дальнейшего повышения эффективности рабочих органов дорожных машин для существенного повышения производственно-технологических качеств машины на базе использования достижений науки, техники и передового опыта. Оно включает два основных поднаправления совершенствования рабочих органов: на базе традиционных методов воздействия на среду и на основе использования новых ресурсосберегающих эффектов. Первый путь охватывает решение ряда вопросов сегодняшнего дня. Прежде всего требуется создание дорожных машин большой единичной мощности (400— 1500 кВт). Не менее важной задачей является создание малогабаритной строительной техники мощностью 5—30 кВт как следствие увел и чей вающихся объемов рассредоточенных, стесненных и разнообразных работ по реконструкции. Возрастающая стоимость машин , оснащенных автоматизированными системами, и трудности с трудовыми ресурсами приводят к необходимости делать машины с универсальными рабочими органами. Создаются рабочие органы, обладающие широким диапазоном применения. Выпускаются укладчики дорож:ных материалов с устройствами для высокого уплотнения, смесители многоцелевого назначения, манипуляторы с челюстным захватом и оборудованием, способным работать с инструментами различного назначения. Второй путь — создание дорожных машн, основу рабочих процессов которых составляют новые физические эффекты, является перспективным направлением. lipHooperaei значение разработка методов интенсификации рабочих процессов при движении инструмента в среде путем снижения сил трения в результате использования: антифрикционных материалов, термических эффектов, электрофизических методов, оборудования для осуществления гидравлической и газовоздушной смазки рабочих поверхностей. Перспективным является разработка конструкций, связанных с использованием достижений газо- и гидродинамики для интенсификации разрушения, уплотнения и перемещения материалов различного вида. Для получения принципиально новых машин используют новые эффекты. Четвертое направление касается проблем совершенствования систем привода и энергетических установок дорожных машин для дальнейшего сокращения энергетических заграт. Гидрофикация в комплексе с электронизацией машин обеспечивает существенное увеличение производительности и снижение иеталлоемкости. Широкие перспективы открывает применение объемного гидропривода и, в частности, с приводом насосов от газотурбинного двигателя; гидромеханической трансмиссии с переключением передач под нагрузкой и возможностью частого реверсирования; высокоэффективных фильтров и дополнительного гидрооборудования. Для совершенствования тепловых систем дорожных машин большое значение имеют решение задач по утилизации дешевых топлив, теплоты отработанных теплоносителей и повышение эффективности теплоизоляции. Дизельные двигатели представляют собой в ближайшее время основной источник энергии дорожной техники. Двигатели с электронным управлением обеспечивают повышение КПД, экономию топлива, «чистый выпуск» и снижение шума до 80 дБ. Использование порошковых материалов позволяет существенно повысить рабочее давление, температуру и экономичность двигателя. Предполагается использовать газотурбинные двигатели на мобильных машинах. Реализация направления связана с проблемой создания экономичной газовой турбины. В перспективе основным источником энергии могут быть водородные двигатели и топливные элементы. Основу работы последних составляет химическая реакция между кислородом и водородом с выделением воды. Эта тенденция обусловлена ужесточением требований по охране окружающей среды. Пятое направление определяется решением проблем, связанных с интенсификацией строительства на основе дальнейшего развития систем машин различного назначения, широкого использования методов модульного проектирования и унификации, ресурсосберегающих технологий и создания системы механизированного инструмента. На базе модульного проектирования создаются оптимальные структуры систем дорожных машин для раз-личиыл    угловий, типоразмерные ряды, унифици рованные конструктивно-размерно-подооные машши, :б°"по”и-вается широкая специализация и кооперация производства. Возрастающие объемы дорожно-строительных работ в отдаленных труднодоступных районах требуют развития специальных машин. Одной из важных задач является создание машин на основе использования ресурсосберегающих технологий, принципов свертывания ряда традиционных воздействий в одну операцию и повторного использования отработанных материалов. Шестое направление определяет одну из важных тенденций развития машиностроения как системы производства новой дорожной техники и включает проблемы использования средств и методов автоматизированного проектирования (САПР), автоматизированных систем научных исследований (АСНИ) и производства машин для сокращения времени и затрат, повышения качества проектно-конструкторских работ и темпов поиска новых решений. Это направление связано с разработкой технологических операций строительства на основании использования гибких автоматизированных строительных производств (ГАСП). Седьмое направление касается решения важных задач повышения эффективности использования дорожной техники посредством совершенствования структуры подготовки и переподготовки кадров в условиях перестройки народного хозяйства и электронизации производства. Производительность машин с традиционной, не автоматизированной системой управления существенно зависит от квалификации оператора. Использование системы автоматического управления (САУ) позволяет обеспечить более 90 % потенциальной производительности машины независимо от уровня подготовки оператора. Автоматизация управления машиной требует по-новому организовать систему подготовки работников различного уровня (инженеров, операторов и наладчиков) для создания и эксплуатации машин со встроенным микропроцессорным оборудованием. 1.3. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ДОРОЖНЫХ МАШИН Интенсификация и повышение эффективности дорожного хозяйства в значительной степени определяется темпами совершенствования существующих и создания новых видов технологических процессов, дорожных машин и комплексов. Дорожные машины и составляющие их подсистемы с течением времени стареют и заменяются более совершенными. Замысел и первоначальная концепция создаваемого объекта в процессе проектирования развивается, конкретизируется и реализуется в готовую продукцию. Проектирование в широком понимании этого термина определяется как процесс целенаправленной деятельности человека, включающий взаимосвязанный комплекс работ, завершающийся созданием промышленной продукции или соответствующей технологии производства нового продукта, удовлетворяющих потреоности оощества. проектирование включая приведение теоретических и экспериментальных исследований, разработку технической и в том числе проектной документации, создание и испытание опытных образцов и предшествует выпуску сериной продукции. Задача проектирования заключается в разработке машин и технологических процессов, обеспечивающих оптимальное выполнение требований производства при экономии материальных, энергетических и трудовых ресурсов. При этом следует учйтывать совершенство методов расчета, наличие необходимых материалов и комплектующих элементов и устройств, возможности имеющихся лабораторного и производственного оборудования, ЭВМ и САПР, сроки проектирования. Ускорение темпов научного и технического прогресса требует повышения качества и предельного сокращения сроков проектирования на базе широкого использования методов и средств автоматизированного проектирования (САПР). Важной задачей проектирования является разработка технической документации, на основе которой осуществляется промышленное изготовление машины и ее надежная эксплуатация. Техническая документация состоит из исходной, проектной (конструкторской и технологической), рабочей и информационной. К исходной документации относят заявку на разработку, исходные требования, аванпроекг, техническое задание (ГОСТ 15.001—73*). Конструкторская документация включает: техническое предложение, эскизный и технический проекты. Рабочую документацию составляет рабочая конструкторская, эксплуатационная и ремонтная документация. Информационная документация включает: карту технического уровня и качества продукции, патентный формуляр, карту расчета экономической эффективности и цен, протоколы об испытаниях и др. Состав конструкторской документации определяется Единой системой конструкторской документации (ЕСКД), которая оформлена в виде комплекта Государственных стандартов (ГОСТ). Техническое задание (ТЗ) — это исходный документ для разработки конструкторской документации. ТЗ разрабатывается на основании требований заказчика: заявки, аванпроекта, результатов выполненных научно-исследовательских и экспериментальных работ. В ТЗ дается наименование машины и область ее использования, цель и источник разработки, технические требования, экономические показатели, стадии и этапы разработки конструкторской документации, порядок контроля и приемки продукции. Основные требования, предъявляемые к дорожной машине на этапе проектирования. Проект должен гарантировать эффективное и надежное выполнение дорожной машиной заданных функций н обеспечивать методы и средства контроля и восстановления технического состояния машины в процессе эксплуатации. Требо-ияния к мятиттр оппепеленьт н ТЗ. Основными тпебованиями являются требования к функциональному соответствию конструкции, экономичному использованию сырья, энергии, трудовых ресурсов, к надежности, технологическому и метрологическому обеспечению, к уровню унификации и стандартизации, безопасности, к охране природы, к соответствию условиям эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту, эстетическим и эргономическим показателям, к патентной чистоте и конкурентоспособности, маркировке машины, транспортированию, хранению и категории качества. Стадии и этапы выполнения конструкторской документации в соответствии с ЕСКД приведены в табл. 1.2. Техническое предложение (П) содержит технико-экономиче-ское обоснование целесообразности разработок машины, уточненные требования к продукции на основании анализа вариантов возможных технических решений. В зависимости от требований ТЗ в техническое предложение входит следующая конструкторская документация: чертежи общего вида, габаритный чертеж, схемы, ведомость документов П, пояснительная записка, расчеты, патентный формуляр, карта технического уровня. Эскизный проект (Э) содержит принципиальные конструкторские решения, которые дают общее представление о конструкции и принципе работы и о ее соответствии назначению, основные параметры и габаритные размеры. Эскизный проект в дополнение к конструкторским документам (П) содержит программу и методику испытаний и ведомость покупных изделий. Технический проект (Т) представляет собой конструкторские документы, дающие окончательное техническое решение, устройство и параметры, соответствующие назначению продукции. Технический проект служит исходным материалом для разработки рабочей документации. Проект помимо документов (ТЗ) и (Э) обязательно содержит общий вид машины. Рабочая конструкторская документация представляет собой совокупность конструкторских документов, предназначенных для изготовления, контроля, приемки, поставки, эксплуатации и ремонта. Документы рабочего проекта содержат чертежи деталей и сборочных единиц. Карта технического уровня и качества продукции содержит сведения о технико-экономических показателях продукции, характеризующих ее уровень по сравнению с лучшими отечественными и зарубежными аналогами и перспективными эталонными образцами. Патентный формуляр содержит сведения о патентной чистоте машины. Нормоконтроль (ГОСТ 2.111—68*) выполняется на всех стадиях проектирования с целью установления соответствия в разрабатываемых изделиях норм и требований ГОСТов, правильности выполнения конструкторской документации, высокого уровня унификации и др. Технологический контроль (ГОСТ 2.121—73) направлен на проверку 1,2. Стадий и этапы выполнения конструкторской документации i - - j ■ разработки    I конструкторской документации I    Примечание и литеры Д( .ументон Техническое предложение (ГОСТ 2.118—73*) Эскизный проект (ГОСТ 2.119—73*) Технический проект (ГОСТ 2.120—73*) Рабочая конструкторская документация: для опытного образца для серийного производства Подбор материалов Разработка технического предложения (литера документов П) Утверждение технического предложения Разработка эскизного проекта (литера документов Э) Изготовление й испытание макета (при необходимости) Утверждение эскизного проекта Разработка технического проекта (литера документов Т) Изготовление и испытание макета (при необходимости) Утверждение технического проекта Разработка конструкторской документации (документы без литеры) Корректировка конструкторской документации Приемочные испытания опытного образца Корректировка конструкторской документации (литера документов Ох) Изготовление и ислытания установочной серии Корректировка конструкторской документации по результатам испытаний (литера документов А) Оснащение технологического процесса изготовления продукции (литера документов А) Разрабатывается, если предусмотрено техническим заданием Разрабатывается, если предусмотрено техническим заданием или протоколом обсуждения П Разрабатывается, если предусмотрено техническим заданием или протоколами обсуждения П и Э Разрабатывается на основании утвержденного проекта соблюдения в конструкторской документации установленных технологических норм и требований с учетом современного уровня развития техники, способов изготовления с использованием ГАП, эксплуатации и ремонта изделия. Испытания опытного образца являются важным этапом и обеспечивают экспериментальную оценку параметров машины. Итеративный характер процесса проектирования делает необходимым проведение испытаний на какдом этапе создания машины. Виды испытаний определены системой разработки продукции и постановки ее на производстве (ГОСТ 15.001—73). Опытный образец подвергают предварительным и приемочным испытаниям. Последние могут быть государственными, межведомственными и ведомственными. Продукцию серийного производства подвергают государственной приемке, приемо-сдаточным и периодическим 7---1Л%1.    'ri/‘>irTT т^^тттттзг г\гЬг>г> IV* тт <TWr П Г'АПТЯРТРТТШИ ГгОСТ“25051—82**”* Проектирование направлено на создание принципиально новой машины. В этих условиях важно обеспечить преемственность конструкции путем широкого использования стандартизации модульного проектирования машин, унификации, нормализации и типизации. Стандартизация характеризует деятельность, направленную на достижение оптимальной степени упорядочения для решения повторяющихся производственных задач. Стандарт — нормативно-технический документ, устанавливающий требования к выпускаемой продукции, ее проектированию, производству и применению. Соблюдение государственных стандартов (ГОСТ), международных стандартов (ИСО, СЭВ), принятых СССР, является обязательным. Унификация — это процесс уменьшения многообразия конструкций, предназначенных для выполнения одних и тех же или близких по своему характеру функций. Нормализация характеризуется применением уже разработанных и освоенных промышленностью узлов и деталей, материалов, элементов и готовых изделий. Типаж дорожных машин определяет технически и экономически обоснованную совокупность машин массового и серийного производств, объединенных общностью назначения и обладающих прогрессивными техническими показателями. Типаж разделяет машины на группы, подгруппы, классы, подклассы и др. При разработке типажа основу составляют базовые модели машин, которые являются исходными для получения других машин или модификаций. Основные параметры машин составляют параметрический ряд предпочтительных чисел. Типаж машин совершенствуется по мере научно-технического развития. Типизация машин дает возможность получать машины различного назначения, на основе единого конструктивного решения использовать общие методы и машинные программы проектирования и расчета машин. Снижение конструктивной массы машин дает существенный технико-экономический эффект. Проблема снижения материалоемкости продукции строительного и дорожного машиностроения имеет большое народнохозяйственное значение. Технологичность конструкции определяется возможностью изготовления деталей с наименьшими трудовыми затратами при рациональном расходовании материала. Конструктор должен отчетливо представлять наиболее совершенную технологию изготовления и сборки каждой разработанной детали. Технологичность маплины зависит от уровня технологии и организационной структуры завода-изготовителя, его станочного парка, а также масштаба выпуска машины. Требования безопасности и по охране природы определяют условия обеспечения безопасности при монтаже, эксплуатации, обслуживании и ремонте, допустимые уровни звукового давления, вибрации, показатели вредных воздействий ИЯ ГТПИППТПГ vnurnnm- тт/^плллл тТ 4    i    ‘    * Эргономические качества дорожной машины определяются удобством управления. Высокие эргономические качества способствуют получению высокой производственной эффективности. При проектировании дорожную машину рассматривают в совокупности с оператором, управляющим этой машиной, как единую систему. Учитывают целесообразное распределение функций управления между машиной и человеком в результате автоматизации рдбот, выполняемых по определенному алгоритму. С развитием автоматизации и кибернетики функции оператора все больше переходят к машине. Эстетическими требованиями предусматривается сочетание удачных технических и художественных решений в конструкциях машин — обязательные условия повышения их конкурентоспособности. Красивый внешний вид машины получают в результате использования в ходе конструирования определенных эстетических элементов: симметрии, ритма, контрастности, членения, пропорциональности, композиции и цвета. Дизайнеры или специалисты по художественному проектированию эстетически оформляют компоновки узлов, отдельных деталей и машины в целом. Пространственные рисунки будущей машины разрабатывают в нескольких вариантах, в ряде случаев создают пространственные масштабные модели. Организация управления ходом проектирования основана на разработке системы сетевого планирования и управления (СПУ) на базе широкого использования ЭВМ. В системе СПУ инструментом оперативного управления процессом является сетевой график, в котором в определенной последовательности и взаимосвязи представлены все работы, выполнение которых необходимо для достижения конечной цели. 1.4. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ РАЗРАБОТКИ НОВЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ Формирование новых технических решений (ТР) связано с разработкой рациональных конструктивных схем машин, определением их параметров и режимов движения рабочих органов, обеспечиваю'дих повышение качества работ, снижение металлоемкости, энергоемкости, трудовых затрат и соблюдение норм экологии. Проблема создания новой машины формулируется как устранение противоречий между потребностями и способами их удовлетворения. Интенсификация инженерного творчества направлена прежде всего на то, чтобы заставить проектировщика думать вслух и дать возможность другим специалистам на базе широкого использования ЭВМ и САПР участвовать в творческом процессе. Это позволяет сообщить проектировщику те сведения и оценки, которые выходят за пределы его знаний и опыта. При проектировании осуществляется общая стратегия творческой деятельности, включающая выполнение трех основных "р'удодур: 3.UXZ21ZZ,    « ицспм. Птенсификация творче ской деятельности при выполнении соответствующих процедур осуществляется на базе использования ряда частных методов. Анализ включает методы, обеспечивающие эффективное определение независимых компонентов проблемы (объекта), разделение проблемы на отдельные задачи, поддающиеся решению, и методы решения. На этапах анализа и синтеза находят применение методы мозговой атаки, синектики, ликвидации тупиковых ситуаций, использования морфологических карт. Синтез содержит рекомендации и методы по выполнению операций соединения частей для получения нового эффекта. На этапе синтеза применяют методы контрольного перечня вопросов, подлежащих оценке и важных для аналогичных ситуаций; выбора критериев оптимальности решения; ранжирования и взвешивания решений на основании общей шкалы оценок; составления технического задания по приемлемому конечному результату; определения индекса надежности решения по элементам. Оценка базируется на системе методов, обеспечивающих изучение и прогноз последствий от практического применения нового объекта и выявление его технико-экономического значения для народного хозяйства, а также экологическую безопасность. Перечисленные методы имеют различную степень распространения и рассматриваются в специальной литературе [13]. Методы синтеза новых конструктивных решений базируются на основных принципах конструктивной эволюции технических систем: а)    переноса решений, заключающегося в переносе наиболее рациональных и проверенных принципов действия или конструкций из одних об-ъектов в другие; б)    предпочтения, основанного на использовании более новых физических эффектов; в)    перехода через предел, заключающегося в последовательном циклическом совершенствовании объекта; г)    начала конструктивной эволюции, основанной на обязательном наличии: у каждого нового ТР предшествующего; д)    механизации и автоматизации, заключающихся в появлении технических объектов, уменьшающих степень участия человека в выполнении требуемой функции; е)    избыточности конструктивных решений, заключающейся в превышении количества идей и технических решений над количеством реализованных; ж)    соответствия функции технических решений, которое заключается в том, что каждой функции отвечает определенный набор технических решений, обеспечивающих ее реализацию; з)    относительного существования, заключающегося в том, что функция имеет большую долговечность, чем техническое решение. Стимулирование выдвижения новых идей и технических решений часто осуществляют на базе использования метода мозговой атаки, когда выдвинутые предложения не критикуются, а разливаются. Этим методом можно пользоваться при решении любых задач и на любом этапе проектирования, если задача четко сформулирована. Выявление новых технических решений осуществляется также методом синектики, который предусматривает широкое использование аналогий для решений проблемы. Для ориентации своего мышления по решаемой проблемешироко применяют аналогии четырех типов: прямую (реальную); субъективную (телесную); символическую (абстрактную) и фантастическую (нереальную). Применение ЭВМ в решении задач поискового конструирования основано на использовании трех групп методов: полностью формализованных методов — алгоритмов, которые могут быть реализованы в виде программ; частично формализованных эвристических методов — эвроритмов при частичном использовании ЭВМ; полностью неформализованных эвристических методов. Простыми и эффективными являются эвристические методы: морфологический анализ и синтез технических объектов; методы поискового конструирования с помощью систематизированных накопителей информации; методы, основанные на системно» анализе функций объектов; методы использования наборов эвристических приемов; методы, основанные на использовании банка физических и технических эффектов и др. Эвристические приема поиска новых решений заключаются в использовании предписаний для получения искомого ТР на базе индивидуальных и межотраслевых фондов эвристических приемов [18]. Широкое применение находят обобщенные методы поиска новых ТР: метод расчленения объекта на состашяющие элементы (диакоптика) с последующим их объединением в более эффективную конструкцию; методика функционального анализа на базе использования морфологических карт и матриц сравнения на базе системного анализа, предусматривающая расчленение заданной общей функции технологического процесса, которую должна выполнять машина (исходная цель), на систему частных подфункций, выполняемых разного уровня звеньями машины; метод формирования новых конструктивных решений посредством анализа и расчленения математической модели явлении, составляющего основу принципа действия проектируемого объекта. Последний метод базируется на широком применении методов математического моделирования. Важным фактором ускоренного развития строительного и дорожного машиностроения являются изобретательство и рационализация. Общее руководство делом развита! изобретательства в стране осуществляется Государственным комитетом по делам изобретений и открытий. При комитете создан институт Патентной экспертизы (ВНИИГПЭ), который организует экспертизу заявок на изобретения. В отрасли етроительного, дорожного ТТ    \/r-4VTT-> пт,^тг»гп МЯ1ПННПСТПОРНИЯ лVKOBOTTrTTJO ичобпетательст- аом осуществляет отраслевое союзное министерство. На предприятиях эту деятельность возглавляет руководитель организации. Работа над новым конструктивным решением требует четкого представления о его квалификации как открытия, изобретения или рационализаторские предложения. Открытие — это факт установления неизвестных ранее объективно существующих закономерностей, свойств и явлений материального мира, вносящих коренные изменения в уровень познаний. За открытие автор получает диплом и вознаграждение при его внедрении в народное хозяйство. Изобретением является новое, обладающее существенными отличиями, техническое решение задачи в любой отрасли народного хозяйства, дающее положительный эффект. Автору за изобретение выдается авторское свидетельство и вознаграждение или патент. Техническое решение может быть признано изобретением, если оно обладает: новизной, существенными отличиями и дает положительный эффект при внедрении в народное хозяйство. Авторские свидетельства дают государству право монопольного использования изобретения. Патент, в отличие от авторского свидетельства, дает исключительное право монопольного использования изобретения патентообладателю. Рационализаторским предложением называют новое техническое решение, являющееся полезным для организации, где оно подано. За внедрение рационализаторского предложения автор получает вознаграждение. Высокие требования, предъявляемые к эстетическому оформлению технического изделия, а также к законченности информации о новых изделиях, определили необходимость ввести правовую охрану решений на внешний вид промышленного образца и товарного знака. Промышленный образец —- это новое высокоэстетическое решение внешнего айда изделия, пригодное к промышленному осуществлению. Товарный знак — зарегистрированное оригинальное обозначение товара (услуг), служащее для отличия однородных товаров (услуг) различных предприятий. Для признания технического решения изобретением необходимо, чтобы оно соответствовало установленным требованиям и было надлежащим образом оформлено и обязательно заявлено. Документы подаются в Государственный комитет по изобретениям. В состав документов входят заявление, описание изобретения с формулой изобретения и чертежами, справка о творческом участии каждого соавтора. Заявления, поданные от организации, дополнительно содержат документ о новизне технического решения, сведения о патентном поиске, ожидаемый техни ко-эконо-мический эффект. Новые машины и оборудование должны быть выполнены на уровне изобретения. Автор должен убедиться в этом на основе анализа патентной информации в данной области техники. Для интенсификации творческой деятельности изобретатели должны использовать весь набор методов активизации творческого ппоиесса с использованием ЭВМ. Улучшение качества продукции или производительности всегда связано с увеличением трудоемкости, мощности двигателя, повышением точности, массы и др. Изобретение прежде всего направлено на устранение такого рода противоречий. Методы прогнозирования тенденций развития и изменения основных параметров дорожных машин на этапе проектирования. Важным методом обоснования необходимости создания новых дорожных машин и изменения параметров традиционных конструкций является научное прогнозирование. Оно дает вероятностное суждение о будущем с высоким уровнем достоверности и основано на объективном анализе имеющейся научно-техшческой информации. Существующие методы прогнозирования разделяются на три группы: эвристические, математические и комбинированные (рис. 1.2, а). Эвристические методы основаны hi использовании мнений специалистов в соответствующих областяхтехники, характер изменения которых не может быть формализован:. Они основаны на экспертных оценках, составлении сценариев, классификациях, аналогиях и др. Математические метопы основаны на использовании приемов формального описания изучаемого процесса. В зависимости от вида математического описания эта группа методов разделяется на методы моделирования, основанные на решении математических уравнений, и методы экстраполяции или статистические методы, для которых математическим аппаратом являются методы максимального правдоподобия и, как его частный случай, методы наименьших квадрата^, корреляции и регрессионного анализа. По назначению различают исследовательский и нормативный прогнозы. Исследовательский прогноз основан на предположении, что в будущем сохранится объективно сложивааяся в данное время тенденция. При этом широко используют методы экстраполяции. Нормативный прогноз исходит из решении задач, которые обеспечивают достижение требуемого результат в будущем. В технике широко используют методы прогнозюовани я на базе обработки патентной информации, в том числе заключающиеся в экстраполяции тенденций, установленных по динамике патентования по конкурирующим типам конструкции. Для повышения степени достоверности прогноза применяют сочетание различных методов прогнозирования. Различают прогнозы: краткосрочные на 5 лет; среднесрочные — на 5—10 лет; долгосрочные — более чем на 10 лет. Эти сроки обусловлены жизненнш циклом основных типов дорожных машин. При обосновании необходимости создания машин оптимальным сроком прогноза шляется период в среднем до 15 лет. Достоверность прогноза, сданного на более длительный срок, снижается [16]. Моделирование представляет собой процесс изучения проектируемого объекта на модели до его изготовления (рис. 1.2, б). Рис. 1.2. Основные методы прогнозирования (а) и моделирования (б) развития процессов дорожных машин Модель — это мысленно представленная (абстрактная) или материально реализованная (физическая) система, которая способна замещать объект исследования или наиболее существенную его часть так, что изучение модели дает необходимую информацию о новом еще не существующем объекте. Физически подобные модели имеют ту же физическую природу, что и оригинал; математически подобные модели при моделировании на ЭВМ основываются на тождественности математического описания процессов в модели и оригинале. Выбор типа моделей и их построение являются творческим процессом. Модели должны отражать основные интересующие черты процесса, быть чувствительными к характеристикам, определяющим ход процесса, и в то же время не быть чрезмерно сложными. Целесообразно проводить как математическое, так и физическое моделирование. Это позволяет наиболее глубоко и всесторонне исследовать проектируемый объект. Важной проблемой моделирования является установление степени подобия (соответствия) модели проектируемому объекту [3]. Основные параметры дорожных машин на этапе проектирования определяются рядом методов: на основании решения аналитических уравнений, путем обработки данных экспериментов и статистической информации, по аналогии и др. Зависимости 1.3. Формулы для определения основных технических параметров Определяющий параметр параметр Мощность двигателя N *з<?7/6 Тяговое усилие Т Масса m машины (рабочего органа) Объем q среды, взаимодействующий с рабочим органом Ширина В рабочего органа (машины) к1вТ1'3 Скорость v движения в транспортном режиме Скорость ур движения в рабочем режиме, не более 1,5 м/с *23 ml/6 2e= const *24 <?1/6 *25 S‘/2 связи между параметрами приведены в табл. 1.3. Коэффициенты пропорциональности устанавливают по параметрам машины, принятой за эталон, для соответствующих условий эксплуатации или для их усредненных значений, формулы для расчета коэффициентов приведены в табл. 1.4. При установлении статистических зависимостей коэффициенты пропорциональности kt рассчитывают методами теории вероятностей по анализу имеющейся информации. Скорость движения подобных машин также зависит от основных технических параметров. Для режима транспортирования с многочисленными периодами разгона и торможения vH « vMkl/2; для операций взаимодействия рабочих органов с вязкой ньюто-нианской средой » vMk2; для пластичной среды и„ ~ vM. Приведенные зависимости между основными техническими параметрами машин справедливы для областей, в которых установлены коэффициенты kt. Принятие решения является важным этапом проектирования и осуществляется руководителем проекта. Подготовка решения заключается в сопоставлении нескольких альтернативных решений и выборе наилучшего из них по достижению требуемого эффекта. Последний характеризуется целевой функцией (показателем эффективности): F— (Хг), где Xt, ..., Хп—независимые параметры, определяющие характеристики проектируемой машины. Задача принятия решения сводится к оптимизации целевой функции. Эффективным средством подготовки оптимальных решений при проектировании является методология исследования опера- 1,4. Значения коэффициентов пропорциональности для ложных машин (устанавливаются по машине-эталону) Коэффи- циент Определи* зависимость Коэффи циент Определя зависимость ' ,'оэффи-днент Определя зависимость
т0яУ&
ций, которая представляет собой систему дейсзий, объединенных единым замыслом и направленных к достижнию определенной цели. В качестве критерия эффективности ипользуют: вероятность какого-либо события (например, выполвние в срок технического задания на проектирование или обспечение заданных технических характеристик системы), или мгематическое ожидание некоторой случайной величины. Конкетный вид, критерия эффективности выбирается в зависимое"! от поставленной задачи. В ряде случаев условия вылолненш операций заранее неизвестны. Тогда задают вероятность этих уяовий и усредняют критерии эффективности с учетом этих вероятвстей. Для каждого варианта решения получают один усреднений показатель и предпочтение отдают варианту, значения пказателя которого максимальны (или минимальны).
Выбор компромиссного решения составляет одну из сложных
задач иссл*?ДО"**,нч ппрпятшй Комплексную опенку по нескольким критериям делают путем объединения критериев в один обобщенный. Такой критерий представляют в виде суммы частных критериев, каждому из которых приписывают коэффициенты весомости (коэффициенты влияния). Подобный метод имеет недостатки. Коэффициенты весомости выбирают произвольно. Представление обобщенного критерия в виде дроби (числитель ее содержит величины, увеличение которых желательно, а знаменатель — увеличение которых нежелательно) приводит к тому, что недостаток в одном критерии может быть компенсирован за счет другого.
Одна из основных задач проектирования заключается в получении оптимального решения, т. е. в достижении заданных или наилучших характеристик при наименьших затратах времени, материалов, энергии, денежных средств и др. В качестве целевой функции широко используют показатели технико-экономической эффективности и качества машины.
1.Й. СИСТЕМА ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДОРОЖНЫХ МАШИН
Качество изделий дорожного машиностроения определяется совокупностью свойств (надежностью, техническими и экономическими параметрами и др.), характеризующих пригодность изделия удовлетворять потребность потребителя в соответствии с назначением машины. Качество оценивают показателями качества, которые бывают: единичными (характеризующими только одно свойство изделия); комплексными (характеризующими несколько свойств); определяющими (по которым решают оценивать качество); обобщенными (являющимися одновременно и комплексными и определяющими); интегральными (являющимися наиболее общими технико-экономическими показателями). Интегральный показатель определяют как отношение полезного эффекта к суммарным затратам. В технике в качестве такого интегрального показателя используют приведенные удельные затраты (РД-50-149-79).
Показатели, определяющие эффективность дорожных машин, разделяют на три группы, характеризуемые коэффициентом k весомости: показатели, определяющие технические и эксплуатационные свойства машины, экономические и конкурентоспособность. Приведенные ниже ориентировочные значения коэффициента k определены экспериментальным путем.
К показателям, определяющим технические и эксплуатационные свойства машины (k = 0,4), относят: классификационные (k = 0,016); назначения и технико-экономические (k = 0,072); надежности (k = 0,076) — ресурс, наработка на отказ, ремонтопригодность и др.; технологичности (к — 0,936); стандартизации и унификации (k = 0,04); патентно-правовые (/г = 0.03G); безопасности {к = и,1Ш); экологические (k = 0,1)3); эргономические (k — 0,026); технической эстетики (k = 0,03).
К показателям, определяющим экономические свойства машины (к = 0,34), относят: затраты на приобретение машины (k = 0,16) — цена машины, расходы на транспортирование, монтаж, наладку; затраты на эксплуатацию (k = 0,18) — на обслуживающий персонал, топливо и смазочные иатериалы, энергию, основные и вспомогательные материалы.
К показателям, определяющим конкурентсспособыостъ машины (k = 0,26), относят: условия продажи (k = 0,04) — на основе товарообмена (к =*= 0,015), на основе оплати в конвертируемой валюте (k = 0,006), на основе продажи в кредит (fe = 0,015), на основе немедленной оплаты (k — 0,004); условие сервисного обслуживания (k = 0,22) — продолжительность гарантийного обслуживания (k = 0,021), обеспечение запасными частями ТО и Р {к = 0,022) и технической документацией (k = 0,021), обучение персонала (k — 0,021), наличие товарного знака. (k — 0,016), престижность изделия (к — 0,015), уровень рекламы (vfe = 0,02), сроки поставки (k = 0,021), соответствие нормам импортера (ik = 0,024) и обычаям его {к = 0,021).
На этапе проектирования широко используют первую группу показателей, которые определяют технические и эксплуатационные свойства машины. Такую систему показателей формируют На базе анализа интегрального показателя —приведенных удельных затрат. Для этого приведенные затраты определяют' для каждой из основных подсистем машины (см. рис 1.1, г). Затраты на подсистему энергетического обеспечения (двигатель) пропорциональны установленной мощности двигателей V: для технологической подсистемы — затраты пропорциональны массе машины т\ для подсистемы управления и жизнеобеспечения (кабина, элементы управления) затраты существенно не зависят от N и т в определенных пределах их изменения; затраты на оператора и обслуживающий персонал пропорциональны массе машины и количеству обслуживающего персонала пр. В этом случае приведенные удельные затраты (в руб. на единицу продукции) представляют в виде суммы:
^уд =    NуД + Ь2туя bsnv/Jl,
где NуД —■ энергоемкость рабочего процесса машин, кВт на единицу производительности, N уд = N/П; туд — материалоемкость рабмего процесса машины, т на единицу производительности, туд = т/П; nv/tl — величина , обратная выработке, приходящейся на одного рабочего, которая показывает, сколько рабочих приходится на единицу производительности; Я — эксплуатационная производительность, единица продукции в единицу времени; 60, Ьг, b2, bs-размерные
коэффициенты; Ь0 — руб. на единицу продукции, Ьг — р>б. на единицу мощности в единицу времени, Ьг— руб. на единицу массы в единицу времени, Ьь — руб. на одного человека в единицу времени.
В приведенном выражении в виде отдельного множителя выде-„аи, tyjZZj'    "''"■■'ЧОТОПРЙ АТ^ т и nJlJ:
= JVуитУЯ (ар/Я) Л,
где k — коэффициент приведения.
В преобразованном виде интегральный показатель включает в себя обобщенные и частные показатели, характеризующие свойства машины: энергоемкость, материалоемкость, трудовые затраты и др. Важное значение имеет обобщенный показатель оценки по снижению энерго- и материалоемкости и выработки на одного рабочего:
Пtimn = Nyamyanv/n ИЛИ П^гтп == Nуд/(^7удЯр. уд),
где /7уД — удельная производительность (величина, обратная удельной материалоемкости), показывающая, сколько единиц производительности приходится на единицу массы машины, /7уд = П/т; яр. уд — выработка на одного рабочего, показывающая, сколько единиц производительности приходится на одного рабочего, «р. уд — Л/пр.
Обобщенный показатель IJNmn представляет собой отношение энергоемкости Nya к удельной производительности, приходящейся на единицу выработки. Величину I7Nmn можно записать в форме ввязи от натуральных показателей:
ПNunn 1=3 iV/ПЛр/УТ*.
Производительность дорожных машин является базовым показателем и основанием для формирования других показателей Формула для определения производительности объединяет технико-экономические параметры машины и параметры, определяющие условия ее эксплуатации. Применительно к анализу дорожных машин эксплуатационная производительность несет информацию о функциональном назначении и полезности машины, а также информацию, позволяющую оценить влияние уровня организации работ, квалификации, физического и психического состояния оператора на эффективность машины.
Производительностью машийы называют количество продукции, выраженное в соответствующих единицах измерения (объема, массы, площади, длины и др.), которое машина производит в единицу времени. Производительность зависит от конструктивных и эргономических параметров машины, условий эксплуатации ее, а также от квалификации обслуживающего персонала. Различают три основных вида производительности. Конструктивная производительность, максимально возможная для данных условий эксплуатации, определяется конструктивными параметрами и свойствами среды, с которой машина взаимодействует, без учета потерь энергии и материалов.
Для машины циклического действия
П    17 •'Г' Г..* |..\ ----- ГГ    ХТ~ IT
“и ' / » ц    *»...*    к . t    ,
где V — расчетный объем материала, перерабатываемого пашиной за один цикл работы, м3; Тц — время цикла, ч; р — плотность (объемнашасса) материала, т/м3;
для машин непрерывного действия
Я„ = ЗбООВу (м2/ч) или #к = 3600/у (м3/ч),
где В — ширина захвата материала рабочим органом машны, м; с/ — расчетная рабочая скорость перемещения машины или материала, я/с; F — расчетное сечение потока материала, ма.
Техническая производительность представ!яет собой максимально возможную производительность с учетам потерь и изменения структуры материала (разрыхления, ушотнения), снижения эффективной мощности и скоростей рабочие операций, а также степени использования рабочего оборудованш (перекрытие проходов машины, технологические перерывы : работе, коэффициенты наполнения емкостей, бункеров, цистен и др-). Для определения технологической производительное^ конструктивную производительность умножают на ряд коэффициентов, учитывающих соответствующие потери (мощности, скорости и др.):
•^тех = Пк^1^2 ‘ ‘ ’ &1>
где ki < 1.
Эксплуатационная производительность, наиболее близкая к фактической, учитывает объективные потери рабочего времени машины в течение смены, сезона работы или ода (время на техническое обслуживание, ремонт, заправку впливом, холостые перемещения машины от базы к месту работы им от одного объекта работы к другому и др.).
Часовая эксплуатационная производителмость
П9~ Птех^и. Bi
где &и. в — коэффициент использования машины во вриени, ж 1.
Сменная эксплуатационная производительгость учитывает количество часов работы в течение смены и определяется с учетом потерь времени для конкретных условий испоьзовани я машины. Годовая эксплуатационная производительhocts учитывает сезонность работы и годовой фонд времени машиш.
Выработка на одного рабочего при обосновнии решения о выпуске новой техники является одним из основных показателей. Он представляет отношение количества продукции, производимой дорожной машиной (в час, день, месяц, год), кчислу р аботников, обслуживающих технику 1м3/(ч-чел) или т/ц-чел)]:
где П — производительность машины, единиц продукта в един ицу времени; Яр — число работников, обслуживающих машину.
Показатель выработки совпадает по величине с производитель-
ипг'тт.т мятчит,Т РГ'ТТИ MqTTTHHV ClfV ЛЛ/ЖИВЯРТ ПТШН ЧРГТПВРК Яыря-
ботку или производительность труда определяют с учетом всего персонала: основных и вспомогательных рабочих, а также инженерно-технических работников, непосредственно обслуживающих машину.
Анализ, интегрального показателя ZyA позволяет получить систему обобщенных, удельных, относительных и натуральных показателей, каждый из которых находится в иерархической связи с другими. Все параметры и показатели нижнего уровня входят в показатели более высокого. Форма записи и область применения показателей приведены в табл. 1.5.
Для дорожных машин как восстанавливаемых объектов техники в качестве показателя надежности применяют коэффициенты использования дорожной машины по времени &и.в, готовности kr и др. Значение каждого из показателей определяют посредством прямого эксперимента в производственных условиях, теоретически посредством математического моделирования на ЭВМ, если известны математические выражения зависимостей показателей от влияющих параметров, или посредством физического и комбинированного моделирования с масштабными моделями, когда отсутствуют готовые образцы машин. Показатели могут быть определены с учетом надежности систем при использовании для расчетов эксплуатационной производительности. Аналитические зависимости, определяющие характер изменения рассматриваемых показателей от влияющих технических и эксплуатационных факторов, получены не для всех видов дорожных машин. Их формирование является важной задачей.
Эффективность дорожных машин с рабочими органами многоцелевого назначения и строительных манипуляторов определяют на основании системы показателей, приведенных в табл. 1.6, с учетом вероятности появления видов работ и условий эксплуатации. Предварительную оценку выполняют на основании анализа обобщенного показателя ПЫтп путем его сравнения с показателем для комплекта машин одноцелевого назначения, выполняющих те же работы, что и машины многоцелевого назначения. Для машины с многоцелевыми рабочими органами показатель IlNmn приводят к виду
где п — число двигателей, установленных на машине; Ni — мощность двигателя соответствующего рабочего органа; k — число рабочих органов, обеспечивающих выполнение соответствующих видов работ; mj — масса рабочих органов и элементов, обеспечивающих выполнение соответствующих видов работ; тм — масса базовой машины; лр — число рабочих, обслуживающих машину; рпр — вероят-
£ (.nJgP}Pg)3
1.5. Система показателей для оценки технико-экономической эффективности дорожных машин
33
форма записи показателя
Условие оптимизации
Показатель
Назначение
Приведенные удельные затраты куд
Обобщенный показатель Обобщенный показатель энергоемкости и материалоемкости Энергоемкость Материалоемкость Удельная производительность Выработка на одного рабочего Г1уд-
Производительность (теоретическая, техническая, эксплуатационная) Продолжительность цикла и рабочих операций 10
Относительные величины (удельное сопротивление, КПД и др.) 12
Оценка надежности (ГОСТ 27.002—83) Отдельные технические параметры (мощность, масса, линейные параметры и др.) £уд Суд-ЬЕн* = Муд/(ЯудЯуд) Лд/тп= N ttl Яр/Л3 Лдг щ ЛГу„/Я УД Пыт— Nttl/fl2 тул= т/П ЛуД=Я//л Я= К/Гц Л = Bv п куД, т) .. УД“
^и. в» кг, т И др. 2уд—>min ЯNmn HTlin Л^уд—►min /Пуд-+ШШ Луд—►шах ‘уд" Я—►max Тц—►min т)—► ! Интегральная оценка тех нико-экономиче-ской эффективности Обобщенная оценка по экономии энергетических, материальных и трудовых ресурсов при постоянных значениях bf Обобщенная оценка по экономии энергетических и материальных ресурсов при постоянных значениях Ь( Оценка экономии энергетических ресурсов Оценка экономии материальных ресурсов Оценка экономии трудовых ресурсов Оценка увеличения п роизводител ьности Оценка продолжительности цикла и рабочих операций Оценка частных эффектов Оценка качества изготовления машин Оценка отдельных параметров ность появления общего числа рабочих, обслуживающих машину одновременно; О — кпличргтип випов условий эксплуатации (вида грунтов, строительных материалов и др.); Tljg — производительность на каждом виде раоот и при соответствующих условиях эксплуатации; pj — вероятность появления видов работ; pg — вероятность появления условии эксплуатации. При многомоторном приводе п = k, при одномоторном приводе п < k. Предпочтение отдают машине, у которой согласно условию показатель лучше (см. табл. 1.5). Определение машины-эталона является важной задачей проектирования. Эталон — это образец машины, предназначенный в установленном порядке для сравнения с ним нового изделия (ГОСТ 16504—81). Машину-эталон определяют по показателям эффективности, приведенным в табл. 1.5, для конкретной типоразмерной группы при заданных условиях эксплуатации. Рассчитанные значения показателей располагают в ранжированный ряд. Максимальное (минимальное) значение показателя определяет машину-эталон. Этому показателю присваивается индекс базового или нормативного. Оценка технического уровня продукции характеризуется совокупностью операций, включающих: выбор номенклатуры показателей, характеризующих совершенство машины, определение значений показателей и сопоставление их с значениями базовых показателей эталонного образца (ГОСТ 15467—79). Технический уровень дорожной машины по сравнению с эталоном определяют по коэффициентам kcp, &х. у на основании известных характеристик машины, которые содержатся в каталогах, проспектах, отчетах и др., и заданных условиях эксплуатации (тип материала, объемы и виды работ и др.). Для учета разброса значений определяют показатель, характеризующий средний уровень машин в данной типоразмерной группе и условиях эксплуатации: Яср - £ Я/я, где П — значение показателя для I-то объекта; п — число объектов, составляющих группу. Вспомогательный коэффициент ^ср = Яо/Яср, где Я0 — минимальное значение показателя, соответствующее базовому нормативному показателю эталона в рассматриваемой группе объектов. Технический уровень системы определяют по коэффициенту технического уровня: ^Т. у Я()/Я|, где /7; — значения показателя для t'-ro варианта разработки и соответствующих условий эксплуатации. Показатель &т. у определяет уровень конкретной разработки по сравнению с эталонным нормативным объектом (табл. 1.6). 1.6. Показатель технического уровня дорожных машин Соотношения между коэффициентами и их значения Оценка машины Перспективность машины ^т. у ^ср Ниже среднего уровня Не перспективна ^т. у ^ср Соответствует среднему уровню ^ср ^т. у ^ Выше среднего уровня ^т. у “ 1 Соответствует лучшим образцам Малоперспективна ^т. у > 1 Выше лучших образцов Перспективна Показатель йт. у относят к соответствующим условиям эксплуатации. Приведенные формулы для расчета kT_y и kcp справедливы, если уменьшение значений Лi указывает на повышение эффективности машины, в противном случае величины kcp и kT, у определяют на основании обратных зависимостей. Области рационального применения дорожных машин различного конструктивного исполнения с учетом фона эксплуатации целесообразно определять, анализируя выражения равной эффективности, которые формируют на базе аналитических зависимостей соответствующих показателей: £ягРг) =(|:niPi] 1 //1 \ 1 //2 где П{ — показатель эффективности процесса; pi — вероятность условий эксплуатации. 1.6. КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТЬ ДОРОЖНЫХ МАШИН Конкурентоспособность дорожных машин является важным и специфическим показателем эффективности. Уровень конкурентоспособности оценивается для импортируемых машин и машин, поставляемых на экспорт, для обоснования их приобретения или разработки мероприятий, для повышения их конкурентоспособности на внешнем рынке, определения перспективных для экспорта машин и стимулирования сбыта экспортной продукции. Конкурентоспособность определяется совокупностью потребительских свойств, необходимых и достаточных для реализации машины по сопоставимым ценам на конкретном рынке. Качество экспортной продукции может быть определено системой показателей, приведенных в п. 1.5. В зависимости от специфических особенностей отдельные группы показателей могут отсутствовать. При необходимости вводят дополнительные показатели. Показатели условий продажи, сервисного обслуживания и престижно-рекламные определяются в баллах экспертами. тл:.;тт..,-прнтпгпогп6ность машин оценивают по комплексному показателю конкурентоспособности кк. С»ТОТ UOKdjmMD иирС^ЛЛКГГ как сумму относительных частных показателей с учетом относительной весомости каждого: где ki — относительные i-e показатели качества рассматриваемой машины; aj — коэффициент весомости i-ro относительного показателя качества. Относительные показатели качества kt = П[/П10 (1.1) или ki ~ ritolIJi (1.2), где Пх — значение i-то показателя оцениваемой машины; Я;0 — значение i-ro показателя машины-эталона. При использовании показателя, увеличение значения которого указывает на улучшение качества, принимают зависимость (1.1), если наоборот, то принимают зависимость (1.2). По комплексному показателю kH машина может быть отнесена к конкурентоспособным при kH 5» 1 или неконкурентоспособным при kK < 0,9. Промежуточные значения характеризуют низкий уровень конкурентоспособности. Комплексный показатель является необходимым критерием для оценки конкурентоспособности при условии обязательного соблюдения высокого уровня каждого частного показателя. Оценка снижения металлоемкости машин. Прогнозирование степени снижения конструктивной массы машин при использовании новых материалов приобретает большое значение в процессе выявления и анализа путей повышения конкурентоспособности. Для самоходных дорожных машин помимо чистой экономии материалов при снижении массы уменьшаются затраты энергии на передвижение и расход энергии на перевозку, так как требуется меньшая грузоподъемность погрузочных и транспортных средств и т. д. Снижение массы машин достигается применением легированных сталей, пластмасс и новых материалов; использованием в кинематических'схемах прогрессивных приводов, узлов бесступенчатого регулирования скоростей и новых видов передач, применением более точных с использованием ЭВМ методов расчета деталей. Абсолютное значение сэкономленной массы тсн при замене материала новым с повышенными прочностными свойствами определяется по формулам, зависящим от характера модернизации оборудования. Если модернизация заключается в изготовлении элементов из материала более прочного, чем материал традиционной конструкции, то имеет место зависимость Мен — тХ1&зг 0 ^н2 б0рТ), При модернизации узла, заключающейся в замене материала ..„„им с меньшей гтл'уяогтыо, ччячрнир т..х оппелеляют по фоо-муле: тся = mzlkaa (1 kn3 брт), где брт === bp/kg' Для общего случая, когда одна часть узлов не подвергается модернизации, другую часть изготовляют из материала более прочного и третью часть элементов — из материала с меньшей плотностью: ^сн ~ ^21 [^з2 О ^на^арт) "Ь" ^з8 О ^на^рт)]- В приведенных выше формулах приняты следующие обозначения: т21 — общая масса машины до модернизации; kS2 — коэффициент, учитывающий массу узлов и элементов машины, которые могут быть изготовлены из материала повышенной прочности и иной плотности; k33 — коэффициент, учитывающий массу узлов и элементов машины, которые могут быть изготовлены из материала с меньшей плотностью и неизменными прочностными свойствами; йн2, kB3 — коэффициенты, учитывающие характер нагружения соответствующих элементов конструкции; S0DT — коэффициент теоретического возможного снижения массы узлов и элементов машины при изготовлении их из материала повышенной прочности и иной плотности; 6рт — коэффициент теоретического возможного снижения массы узлов и элементов при изготовлении их из материала с меньшей плотностью. Масса машины после модернизации в каждом из рассмотренных случаев т22 = тх1 — тсн. Значение поправочных коэффициентов k„2. з получают на основании анализа существующих аналогичных конструкций. Для элементов конструкции, подвергающихся в основном сжатию— растяжению, k„ = 0,95; для элементов конструкции, работающих на сжатие с учетом обеспечения устойчивости элементов, kH = 0,92; для элементов пространственных конструкций, работающих на изгиб и кручение, ка = 0,9. Значения коэффициентов кз2, з, определяющих долю элементов, которые подлежат изготовлению из различных материалов, рассчитывают на основании деления машины на подсистемы: k32 = <п’ч1тъй кз3 = тз/тп, где mjHmJ — масса узлов и элементов машины, которые могут быть изготовлены соответственно из материала повышенной прочности и из материала с меньшей плотностью. Коэффициент k\ назначают в пределах 0,1—0,2. Значение коэффициентов ka и kp устанавливают по предельным значениям прочности и плотности исходного ах, рх и нового а2, р2 материалов. При ст2 > аг и р2 < рх ko = Oa/Oi и kp = р2/рх. Рассмотренные зависимости характеризует предельное снижение массы. Рациональное значение а получают, исходя из анализа приведенных затрат. Увеличение капитальных затрат на новый тт ггпаплпшглтл гтт тгг\ ОГА гтплттил^тит,ти ЛВЛиРТЧСШ* П ЛГЯРТТи- I    " '    '    - v чением последних следует ожидать повышение капитальных затрат. Эксплуатационные затраты на машину, изготовленную из более прочностных материалов, снижаются пропорционально увеличению их прочностных свойств. При определенной прочности приведенные удельные затраты имеют минимальное значение. Это значение характеризует рациональное значение прочности материала. 1.7. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ (САПР) СТРОИТЕЛЬНЫХ И ДОРОЖНЫХ МАШИН Состояние и развитие дорожной техники характеризуется возрастающими темпами производства и усложнением новых видов машин, а также увеличением объема научно-технической информации. Повышается трудоемкость, сложность и стоимость новых машин; сокращается время морального старения машин. Решение проблем повышения темпов и качества проектирования определяется широким использованием на всех этапах работ ЭВМ и систем автоматизированного проектирования (САПР). САПР является организационно-технической системой, включающей комплекс средств автоматизации проектирования, связанного со всеми производственными подразделениями проектной организации (ГОСТ 23501:0—79). САПР обеспечивает автоматизированное проектирование путем взаимодействия человека с ЭВМ и другими автоматизированными системами — научных исследований (АСНИ), управления (АСУ) и технологической подготовки производства (АСТПП) [15]. Эффективность САПР определяется высокой степенью автоматизации ввода—вывода графической и текстовой информации, обеспечением активного графического диалога проектировщика с ЭВМ через дисплеи, а также возможностью использования всех ранее разработанных программ автоматизированного расчета и проектирования в едином комплексе. Повышение производительности труда конструктора при использовании САПР обусловлено более высокой, чем у конструктора за чертежной доской, сосредоточенностью конструктора-оператора за пультом дисплея; использованием информационно-поисковых систем -библиотек типовых элементов, использованием САПР на всех этапах проектирования от выполненных чертежей до автоматизации подготовки управляющей информации для станков с числовым программным управлением (ЧПУ) и гибких автоматических производств (ГАП). Роль человека в САПР определяется гармоничным сочетанием творческой мысли и интуиции человека с быстродействием, точностью и неограниченными информационными возможностями ЭВМ. Проектировщик высокой квалификации должен обеспечить Рис. 1.3. Состав системы автоматизированного проектирования (САПР) НПО «ВНИИстройдормаш»: 1 — процессор центральной ЭВМ ЕС-1045 (ЕС-2445); 2 — оперативная память (ЕС-3027); 3 — система питания (ЕС-1033/0000); 4 — накопитель на магнитной ленте (ЕС-5017); 5 — устройство управления НМЛ (ЕС-5517); 6 — накопитель на магнитных дисках НМД (ЕС-5056); 7 — устройство управления НМД (ЕС-5551); 8 — устройство ввода с перфокарт (ЕС-6012); 9 — устройство ввода с перфоленты (ЕС-6022); Ю — устройство ввода на перфокарты (ЕС-7010): 11 — устройство вывода на перфоленту (ЕС-7022); 12 — алфавитно-цифровое печатающее устройство (ЕС-7032); 13 — пишущая машинка с блоком управления (ЕС-7077); 14 — рулонный графопостроитель (ЕС-7052); 15 — устройство управления алфавитно-цифровыми дисплеями (ЕС-7906); 16 — выносной пульт (алфавитно-цифровой дисплей) (ЕС-7066); 17 — комплекс технических средств АРМ/СМ-4620 постановку задач для САПР, уметь использовать существующие программы и при необходимости разрабатывать новые. Состав и структура САПР определяются назначением. Системы автоматизированного проектирования включают различные средства: технического обеспечения (аппаратуру ввода—вывода цифровой и графической информации, ремонтно-диагностическое оборудование); программного обеспечения (базовые и прикладные программы проектирования); информационного обеспечения; методического обеспечения (математического и лингвистического); организационного обеспечения (набор документов, регламентирующих эксплуатацию средств САПР). В отрасли строительного и дорожного машиностроения Генеральным разработчиком САПР является НПО «ВНИИстройдормаш». На рис. 1.3 представлены схемы технического обеспечения отдела САПР НПО. Проектировщик работает с терминалами САПР в интерактивном режиме взаимодействия, состоящем в прямом обмене информацией между человеком и ЭВМ. Аппаратурно-программные средства для такого взаимодействия получили название диалоговых графических комплексов автоматизированного проектирования, создаваемых на базе больших ЭВМ или миниЭВМ. Задачи, решаемые САПР, разделяют на полностью и частично формализо- a    on.i/iW4dtUl БСе НеиОХОДИМЫв ДЗННЫ6 ДЛЯ ЯВТОМЗТИ- ческого решения по известному алгоритму. Проектирование дорожно-строительных машин с использованием САПР. Автоматизированное проектирование характеризуется тремя режимами работы: режимом формирования облика объекта, режимом параметрического анализа и режимом оптимизации по обобщенной целевой функции. Решение ряда задач основано на использовании прошлого опыта и аналогий. Разработка принципов составления программ формирования облика дорожных машин и элементов в САПР является сложной задачей. Схема процесса формирования облика дорожной машины, сборочных единиц и отдельных деталей приведена на рис. 1.4. Важным этапом процесса является формирование математической модели объекта. Здесь в условия однозначности модели входит геометрическая характеристика объекта. Следовательно, модель формирования облика нового объекта уже должна содержать геометрическую характеристику такого объекта, который еще не существует. Это противоречие преодолевают разными путями. Наиболее просто задача решается введением в человеко-машинную систему самого проектировщика. Это рационально при создании принципиально новых машин, работающих на новых физических эффектах. При проектировании по аналогии с имеющимися образцами, формализация процесса проектирования осуществляется на основе теории подобия систем и математического моделирования. Необходимо ориентировать такую программу на формирование облика перспективных машин с опережением существующих по основным технико-эксплуатационным показателям на 5—10 лет. Термин облик дорожно-строительной машины определяет ее математическую модель как систему зависимостей и ограничений, связывающих конструктивные и эксплуатационные параметры машины, необходимые и достаточные для формирования технической характеристики и чертежей общего вида при заданных условиях эксплуатации с выводом на графический терминал. Автоматизированное проектирование возможно тогда, когда для создаваемого объекта составлено четкое формальное описание (модель). Формирование облика дорожной машины или ее рабочего органа представляет системную задачу по определению необходимого и достаточного (минимального) количества основных параметров, которые позволят однозначно определить форму, размеры и другие технические параметры проектируемого объекта. При формировании компоновочной схемы дорожной машины необходимо определить параметры, совокупность которых определяет особенности этой схемы машины. Процесс разработки облика новой машины в силу малой изученности процесса ее взаимодействия со средой полностью не формализуется. Решение такой Информация о перспективных направлениях развития народного хозяйства, строительного производства, порожного и аэродромного стооительства с опережением на з—iu ле t ВХОД ВЫХОД Технические параметры, чертежи, графические и текстовые документы Рис. 1.4. Системная модель формирования облика дорожной машины, сборочных единиц и деталей с использованием САПР задачи возможно в автоматизированных системах с активным участием квалифицированного конструкторского персонала. Состав работ, структура и вид моделирующего алгоритма процесса проектирования определяются в значительной степени характером постановки задачи. Можно выделить три вида поста- Рис. 1.5. Постановка задачи на проектирование дорожных машин при использовании САПР новки задач на проектирование дорожной машины или ее элементов в САПР (рис. 1.5). Проектирование по аналогии основано на конструктивноразмерном приближенном подобии дорожных машин. Формализация процесса достигается наиболее просто на базе теории подобия и моделирования. Облик машины формируется на основе уравнений, определяющих движение для соответствующих режимов эксплуатации объекта, взаимодействие элементов со средой, напряженное состояние основных элементов объекта, эффективности как целевой функции подбора рациональных параметров объекта, ограничений по условиям эксплуатации и однозначности (рельефа, вида и объема работ, свойства среды, геометрических параметров и др.). Прототипом облика объекта является образ машины-эталона, выявленный в результате предварительных исследований. На основании параметров машины-эталона и критериев подобия устанавливают значения коэффициентов пропорциональности в формулах связи между параметрами. Важной составной частью программы автоматизированного проектирования по аналогии на основании подобия систем является подпрограмма выбора перспективного аналога с опережением на 5—10 лет. Такую подпрограмму строят на методологии прогнозирования систем. Прогноз должен включать определение перспективных с опережением на 5—10 лет характеристик условий эксплуатации, значений главных параметров и показателей эффективности. Схема проектирования дорожных машин по аналогии с таким опережением приведена на рис. 1.6. На последующих этапах проектирования используют стандартные программы определения прочностных размеров отдельных узлов и элементов Проектирование по аналогии Характеристика условий эксплуатации на перспективу Формирование показателя эффективности и оценки технического уровня Анализ информации о существующих подобных машинах, выявление вариантов перспективных аналогов с опережением на 5 лет и более Составление математической модели машины, условий однозначности ограничений Формирование безразмерных комплексов (критериев) Получение зависимостей, определяющих параметры машины через главный Определение коэффициентов пропорциональности по параметрам перспективного аналога с прогнозом их изменения на 5 лет и более Расчет параметров машины по вариантам с перспективой опережения на 5 лет и более. —'— Оценка — ..... эффективности чУ Получение текстовой и чертежно-графической документации по специальной программе Рис. 1.6. Схема автоматизированного проектирования дорожной машин?* по аналогии с подобным объектом: / — этап анализа информации о существующей технике и прогнозирования развития; II — этап синтеза вариантов новой техники с учетом прогнозирования; III — этап оценки и принятия решения машины. Проектирование машин на базе сочетания традиционных и нпвыу мртоттоя вочттрйгтчия ня odptiv является комбинированной задачей. Проектирование дорожной машины, основу рабочего процесса которой составляют новые физические эффекты, включает математическую формулировку решаемой задачи; разработку методики ее решения; моделирующего алгоритма решения и программы; отделку программы на машине; решения задачи на ЭВ2»1 и получения результата. Операцией, предшествующей формализации процесса, является составление схемы процесса в виде его системной модели и анализ результатов физического моделирования. Расчет действующих нагрузок и расчет на прочность строительных и дорожных машин и их элементов в САПР осуществляют на базе проблемно-ориентированных программных моделей, разработанных НПО «ВНИИстройдормаш». Программы позволяют осуществить: расчеты динамических и статических произвольных шарнирно-сочлененных механизмов; динамические расчеты приводов, трансмиссий и систем управления (механических, гидромеханических и объемных гидравлических приводов колесных машин и др.) [23]. Эффективное использование методологии и технических средств САПР при создании строительных и дорожных машин требует развития работ по формированию методической, алгоритмической и программной документации для всех этапов проектирования. ГЛАВА 2 ОСОБЕННОСТИ ПРИВОДА, СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ, ХОДОВЫХ УСТРОЙСТВ И БАЗОВЫХ ТЯГАЧЕЙ ДОРОЖНЫХ МАШИН 2.1. ОСОБЕННОСТИ ПРИВОДА ДОРОЖНЫХ МАШИН Привод дорожной машины представляет собой двигатель и связанные с ним устройства, предназначенных для получения и преобразования энергии и передачи ее исполнительным органам машины. Характерными особенностями привода основных дорожных машин являются: необходимость одновременного привода большого числа исполнительных механизмов, работающих независимо один от другого, многомоторность привода, т. е. наличие на машине нескольких приводящих двигателей; необходимость использования для передачи к исполнительным органам различных видов энергии — механической, электрической, механической энергии жидкости и газа; сложность и разветвленность кинематических схем; необходимость управлять скоростью и моментом на исполнительных органах при переменном и случайном внешнем воздействии, необходимость эффективной и надежной работы на открытом воздухе в широком диапазоне внешней температуры и в условиях запыленности. Сложность и разветвленность кинематических схем дорожных машин обусловлены разделением потока мощности от приводящего двигателя к различным исполнительным и рабочим органам. Это особенно характерно для сложных машин, составляющих комплект для строительства цементобетонных дорог, например, профилировщика оснований (рис. 2.1, а, б). Машина имеет два контура многомоторного гидропривода: один для привода каждой из четырех опорных консольных рам и гидроцилиндра рулевого управления машиной, другой для привода каждой из четырех гусеничных тележек, правой и левой частей фрезы и шнека. Дорожные машины эксплуатируются в разнообразных климатических условиях. На крайнем Севере в холодное время года температура опускается до —60 °С, а в жарком, тропическом климате поднимается до +55 °С при относительной влажности до 90 %. Это предъявляет высокие и специальные требования к системам охлаждения и пуска двигателей. Наиболее широко на дорожных машинах применяют поршневые двигатели: карбюраторные и дизельные. Дорожные машины оборудуют также источниками запасенной энергии — аккумуляторами. Электроаккумуляторы применяют для пуска двигателей внутреннего сгорания, привода Рис. 2.1. Схема гидрооборудования профилировщика оснований комплекта машин для скоростного строительства автомобильных дорог: а — привод хода и рабочих органов; 6 — привод системы управления; 1,3 — гидромо-торы привода гусеничной тележки; 2 — гидромотор привода правой фрезы; 4 — теплообменник; 5 — гидронасос привода правой фрезы; 6 — гидронасос привода правого шнека; 7 — гидронасос привода левой фрезы; 8 — гидронасос привода гусеничных тележек; 9 ~ гидронасос привода левого шнека; 10 — гидробак; И — фильтр; 12 — золотники управления потоком рабочей жидкости; 13 — гидромотор привода левого шнека; 14 — гидронасос; 15 — электрогидравлические клапаны; 16 — гидроцилиндр подъема стойки консольной рамы; 17 — клапан ручного управления; 18 —- гидроцилиндр рулевого управления рабочих органов и передвижения. Аккумуляторы со сжатым газом используют в основном для вытеснения жидких компонентов технологических материалов (битума, краски и др.). Для повышения экономичности силового оборудования в настоящее время разрабатывают конструкции с двигателем внутреннего сгорания и аккумулятором энергии, работающими вместе. В этом случае аккумулятор запасает энергию, выделяемую на режимах торможения маховых масс машины, и отдает ее потребителю вместе с двигателем внутреннего сгорания, частично разгружая его, на режимах разгона. Двигатель дорожной машины должен удовлетворять основным требованиям: обеспечивать эффективность работы самой машины, экономию энергетических ресурсов и массы всего привода, включая передачу от приводящего двигателя к исполнительным органам. Выбор двигателя внутреннего сгорания осуществляют по основным техническим показателям: номинальной мощности N, частоте вращения коленчатого вала п, массе т и удельному расходу топлива ge. Требуемая мощность двигателя 7УДВ = N»где k3— коэффициент запаса, для тракторных дизелей k3 — 1,17 ... 1,25, для автомобильных карбюраторных двигателей k3 = 1,11 ... 1,17. Максимальную мощность на валу двигателя определяют как сумму мощностей Nt max, вычисленных при максимальных значениях моментов (усилий) на рабочих органах: По вычисленной мощности двигателя из каталогов подбирают двигатели, мощности которых не менее Мдв. При сравнении между собой дизельных и карбюраторных двигателей с одинаковой мощностью следует учитывать, что на их выходные характеристики [функции М = /(я)], а также топливную экономичность значительно влияет характер нагружения. Влияние характера нагружения двигателя внутреннего сгорания может быть оценено коэффициентом вариации нагрузки хt — значения случайной величины; п — число значений (наблюдений) случайной величины.
где 5 — среднее квадратичное отклонение случайной нагрузки; X — среднее арифметическое значение случайной величины нагрузки; При kv не более 0,1—0,15 в первом приближении в качестве приводящего может быть использован карбюраторный двигатель; при оольших значениях /ev — дизельный. Одинаковые по номинальной мощности и типу воспламенения горючей смеси двигатели сравнивают по наименьшему удельному расходу топлива. При равенстве удельных расходов топлива выбирают двигатель меньшей стоимости, а при одинаковой стоимости — меньшей массы. Дизель-электрический агрегат выбирают по выходной мощности Nr генератора, которая должна быть не ниже, чем суммарная мощность 2 Nэл. дв I электродвигателей, установленных на ра- бочих органах: Nr £ Л^эл. дв Ь где п — число одновременно работающих электродвигателей. Источником сжатого воздуха, используемого для привода пневмодвигателей, являются компрессоры, привод которых Qcy-ществляется от двигателей внутреннего сгорания или от электродвигателя. Компрессор выбирают по требуемой подаче воздуха, максимальному рабочему давлению, условиям привода. Двигатель привода компрессора подбирают по мощности NaB, обеспечивающей выполнение условия: Ыяв ^ NK, где NK — мощность, необходимая для привода компрессора. Передача дорожной машины представляет собой систему механизмов для подведения и преобразования крутящего момента от двигателя к исполнительному органу. Особенностями передач дорожных машин являются: применение сложных, разветвленных схем, в которых поток мощности от одного приводящего двигателя передается нескольким исполнительным органам одновременно или последовательно по циклу; применение на одной машине нескольких независимых систем привода; обеспечение реверсивного движения; преимущественное использование исполнительных двигателей вращательного типа для привода активных рабочих органов (фрез, роторов, барабанов, шнеков, колес и звездочек движителей) и возвратно-поступательного типа для управления положением рабочих органов в пространстве (гидроцилиндры подъема, опускания и поворота рабочих органов); необходимость автоматического управления режимами работы машины и положением рабочих органов в пространстве. Двигатель и передача составляют привод дорожной машины, который классифицируют по количеству и виду передаваемой энергии, а также по типу двигателя — электромеханический, дизель-механический, дизель-гидравлический, электрогидравли-ческий, турбомеханический, одномоторный (с одним двигателем) и многомоторный (с несколькими двигателями). По виду передаваемой энергии передачи разделяют на механическую, электрическую, гидравлическую, пневматическую и комбинированную. Привод дорожных машин имеет подсистему управления иорш-выми ЭВМ и микропроцессорами; устройства, предохраняющие передачи и приводящий двигатель от перегрузок; устройства, обеспечивающие работоспособность и заданный ресурс силовой части передачи (системы охлаждения, смазочные системы, фильтры и другие вспомогательные системы); средства контроля за процессами и диагностики, обеспечивающие эффективное функционирование передачи (датчики и указатели температуры, давления, силы тока, уровней жидкости и масла). Передачу выбирают исходя из назначения машины, области ее применения, соответствия заданным требованиям по экономичности, массе, надежности, стоимости и эксплуатационным затратам. Экономичность передач определяется КПД т), а также показателем удельной массы km — m/N (т — масса передачи, N — мощность). Предельно возможные усилия, развиваемые передачей на единицу активной поверхности, оценивают параметром предельной силовой напряженности. Для механической передачи предельная силовая напряженность ограничена допускаемыми напряжениями на кручение и изгиб; для электрической — магнитными силами, действующими между ротором и статором; для гидрообъемных и пневматических — максимальным рабочим давлением. Перегрузочная способность двигателей приводов в статическом режиме характеризуется коэффициентом приспосабливаемости &пр = Л4тах/.Мн> где Мтах и Мв — соответственно максимальный и номинальный моменты на валу исполнительного двигателя. Чем больше knp, тем большая перегрузка допускается приводом. Регулируемые передачи оценивают по диапазону регулирования частоты вращения и скорости выходного звена исполнительного органа, определяемого в виде отношения ramax/nmln, vmax/vmin, где «шах. «шах и птШ, t»mln — максимальная и минимальная соответственно частота вращения, скорость выходного звена исполнительного механизма передачи при постоянном значении передаваемой мощности. Исходными данными для предварительного выбора типа передачи дорожных машин являются: передаваемая мощность, необходимость регулирования скорости и момента на исполнительном органе; характер нагружения исполнительного механизма (постоянный, переменный, знакопеременный); расстояние между приводящим и исполнительным двигателями, необходимость автоматического управления режимами работы исполнительного механизма и его положением в пространстве; тип передачи машины-аналога и требования по унификации о передачами, установленными на проектируемой машине для привода других исполнительных органов, а также с передачами одинаковой мощности и назначения, используемых на других машинах (модульный принцип проектирования передач с учетом внутри- и межвидовой унификаций машин). На основании анализа исходных данных, конструкции передач машин-аналогов, предпочтительных областей применения передач предварительно выбирается один или несколько типов возможных вариантов передач. Окончательно тип передачи выбирают по удельным приведенным затратам. В состав рабочей документации машины включают ее принципиальную кинематическую, гидравлическую и другие схемы. Разработка принципиальной схемы (рис. 2.2) включает предварительный и поверочный расчеты передачи. Полученные в процессе проектирования параметры передачи должны обеспечить выполнение машиной всех технологических операций, а также заданных в техническом задании технических показателей (производительность, рабочие и транспортные скорости, сила тяги, усилие на рабочем органе, время цикла т„, ресурс, уровень автоматизации управления рабочими процессами и др.) и экономических (лимитная цена, себестоимость разработки единицы продукции). Механические передачи служат для передачи усилия от приводящего двигателя к исполнительному органу с помощью механического взаимодействия деталей (зубчатых колес, цепей, шкивов, ремней, валов и др.). Для повышения эффективности работы ступенчатых механических трансмиссий применяют механизмы, обеспечивающие переключение передач под нагрузкой без выключения главной муфты сцепления. Гидравлические передачи в зависимости от вида энергии потока рабочей жидкости, преобразуемой в механическую работу, разделяют на гидродинамические и объемные. Рабочей жидкостью в гидродинамической и объемной передачах являются минеральные масла. Гидродинамическая передача состоит из лопастных колес с общей рабочей полостью, в которой крутящий момент передается за счет изменения момента количества движения рабочей жидкости. Основными элементами гидродинамической передачи являются гидромуфты или гидротрансформатор. При установке гидротрансформатора совместно с механической коробкой скоростей передача называется гидромеханической. Объемный гидропривод представляет совокупность одного или нескольких объемных гидродвигателей, приводящих в движение рабочие органы машин посредством движения рабочей жидкости под давлением. Расчет гидропередач заключается в выборе нормализованных и определении основных технических характеристик вновь проектируемых гидроэлементов, а также установления соответствия Рис. 2.3. Схема    проектирования объемных гидропередач дорожных машин гг
Исуогтнме дянкые Рис. 2.2. Схема проектирования передач дорожных машин
режимов работы этих гидроэлементов допускаемым (рис. 2.3). Исходными данными при расчете гидропередач являются: назначение передачи, тип исполнительного движения, усилие и скорость на исполнительном органе, требования надежности, стандартизации и унификации, требования автоматизации и др. Стандартными элементами, выбираемыми из каталогов, являются: насосы, гидромоторы, гидрораспределители, гидроклапаны, регуляторы потока, теплообменники, фильтры, гидравлические шланги и рукава, средства контроля (датчики и указатели). Гидроцилиндры проектируют индивидуально по нормалям с учетом внутри- и межвидовой унификаций. Вновь проектируемыми элементами являются: гидробак, трубопроводы и их соединения. Основные характеристики этих элементов (линейные размеры, емкость для гидробаков) должны соответствовать нормалям. Насосы и гидромоторы выбирают с учетом их назначения по передаваемой мощности N (кВт), определяемой при предварительном расчете для схемы насос—гидромотор по формулам: для насоса АТ» = #мМ>    (2.1) Где г) — общий КПД гидропередачи; для гидромотора = Мр. 0сОр. о/(Ю00т]р).    (2-2) где Мр.0 — расчетный момент сопротивления на рабочем органе, Н-м; шр. 0 — расчетная угловая скорость рабочего органа, рад/с; Т)р — КПД передачи между рабочим органом и валом гидромотора, ориентировочно Т|р = 0,9-И),95. По технической характеристике выбранного гидромотора определяют его рабочий объем Vm (м8/об), полный т)м и гидромеханический т)гм. м КПД, номинальное и максимальное давление (Па). Работа гидродвигателя в наиболее оптимальном, соответствующем максимальному КПД, нагрузочном режиме обеспечивается установкой между гидродвигателем и рабочим органом механической передачи, передаточное отношение которой р ДРмЛр^омЛгм. м/(2я) ’    ^ ^ где Дрм — номинальный перепад давления в гидромоторе, Па. По технической характеристике выбранного насоса определяют его рабочий объем Уон (м3/об), общий т^н и гидромеханический ■Лги. н КПД, номинальное и максимальное давление (Па), номинальную частоту вращения вала пя (об/с). Номинальный перепад давления (МПа) в гидромоторе зависит от нагрузки на рабочем органе и определяется по формуле А _    0    /П Л \ ipV„„Пгм.-ЛрЛ2") ‘    ( ' Подача насоса (м®/с) в зависимости от частоты вращения его приводного вала Qh = ^ОнЯнПуш    (2.5) где — объемный КПД насоса, % = ЛунПгм. н. Мощность (кВт), развиваемая насосом: NH = psQH.lO-s,    (2.6) где рв — давление на выход е из насоса, Па. При использовании в качестве гидродвигателей гидроцилиндров исходными данными для их проектирования являются усилие Р (Н) на штоке и скорость v его движения, принимаемая равной 0,3—0,5 м/с. По усилию Р из нормалей определяют основные характеристики гидроцилиндров (диаметры поршня и штока, ход штока). Усилие (Н) выдвижения штока гидроцилиндра Р = -Т 1<Л»п - Pm) D2 + pj?] т)ц>    (2.7) где рп, рт — соответственно максимальное давление в поршневой и штоковой (равное ~0,3-f-0,5 МПа) полостях, Па; D, d — подбираемое по нормалям диаметры соответственно поршня и штока, м; т)ц — механический КПД гидроцилиндра, t] = 0,85 -г- 0,95. При вытягивании усилие (Н), развиваемое гидроцилиндром двустороннего действия: Р = - J- [(Дв — Рп) D* - Pmd2] т)ц.    (2-8) Полезный объем гидробака, проектируемого для гидропередачи с разомкнутой циркуляцией: Уб - (80ч-180) QH. Полученное значение V6 округляют до ближайшего большого из нормализованного ряда. Расчеты выполняют с использованием САПР. 2.2. ХОДОВЫЕ УСТРОЙСТВА ДОРОЖНЫХ МАШИН Ходовое устройство (движитель) дорожных машин обеспечивает передвижение машины в рабочем и транспортном режимах путем преобразования крутящего момента двигателя в силу тяги. На дорожных машинах применяют в основном гусеничные, колесные с пневмошинами, комбинированные колесно-гусеничные и колесно-рельсовые ходовые устройства. Особенностью гусеничного ходового устройства дорожных машин является применение двух-, трех- и четырехгусеничных движителей. Двухгусеничное оборудование используют на базовых тягачах и асфальтоукладчиках, трех- и четырехгусеничное — на машинах для строительства, ремонта и восстановления покрытий дорог. Особенностями колесного ходового устройства дорожных машин являются: применение различных колесных схем; пи [=□ в)
д)
г)
CUD    СШ ' CZH I—п    I-----П i___У    i______Jj CZ3    СП сиз а)    6)
0=0 (ЕНЮГ’С^*1 Q=^C*)=Q ОО^гн-)

—"ЕЭ-! ж)
в
Ь
в в
2 В В
пппп\
л)
к)
5 6




жжж
г

//'
р)
Рис. 2.4. Основные схемы колесных на превмошинах и гусеничных движителей дорожных машин: а—д — машины для скоростного строительства дорог с цементобетонным покрытием; е—и — катки; к—л — асфальтоукладчики; м — машины для ремонта асфальтобетонных покрытий методом восстановления; схемы гусеничных движителей; н — жесткая; о — полужесткая; п — упругая балансирная; р — индивидуальная; 1 — ведомое колесо; 2 ~ ведущее колесо; 3 — металлический валец; 4 — направляющее колесо (ленивая); 5 — гусеничная тележка; 6 — поддергивающие катки; 7 — ведущая звездочка; 8 — опор* ный каток; 9 — рессора; 10 — каретка-балансир; И — тор установка на одной машине колес, различающихся диаметром, рисунком протектора и материалом; использование колесного дви-жителя не только для передвижения, но и в качестве рабочих органов (рис. 2.4). Гусеничный движитель обеспечивает более низкое (до 0,02— 0,03 МПа) по сравнению с колесным (до 0,1—0,4 МПа) давление на грунт и реализует большее тяговое усилие. Пневмоколесныи imT-f^W'TATTt. Г\&Г\Г\\Г ТТОПОр    ’г’т1РВМГ?Тг'Т!СС1П1МИ IHII нами с низким (0,15—0,25 МПа) и средним (0,3—0,4 МПа) давлением, которое приближенно принимают на 20—30 % ниже давления колеса на грунт. Проходимость колесных движителей повышают путем применения специальных протекторов и цепей, надеваемых на пневматические колеса. Жесткие металлические колеса применяют в машинах, передвигающихся по предварительно уложенным рельсам, а также на катках в качестве рабочих органов — вальцов. Для повышения проходимости и снижения давления на грунт разрабатывают другие специальные типы движителей: лыжно-катковый, винтовой, шнекогусеничный и др. Расширяется область применений оборудования на воздушной подушке. В строительных и дорожных машинах используют иногда и другие типы движителей. Для уплотняющих машин применяют шагающее с опорными лыжами и комбинированное шагающе-колесное устройство. Они имеют низкое давление на грунт, что позволяет применять эти машины для уплотнения свежеотсыпанного рыхлого грунта с малой несущей способностью. Шагающие движители бывают с механическим и гидравлическим приводом. Размер шага 0,6—2 м для тяжелых машин. Скорость перемещения до 0,3 км/ч. Ограничением для шагающего движителя является предельный угол подъема—до 15°. Гусеничные движители по типу подвески могут быть с жесткой (рис. 2.4, «), полужесткой (рис. 2.4, м), упругой (балансир-ной с каретками — рис. 2.4, п) и упругой (эластичной) индивидуальной (рис. 2.4, р) и комбинированной подвеской. Ряд дорожных машин (снегоочистители,, болотоходы) для уменьшения массы, снижения давления на грунт и повышения проходимости оборудуют резинометаллическими лентами. Движители дорожных машин выбирают в зависимости от назначения машины. Важными параметрами движителя являются давление на грунт, развиваемое тяговое усилие и касательные напряжения при различных скоростях движения, проходимости и др. Проходимость машин связана со средним давлением (МПа) на грунт, определяемым для двухгусеничных машин по формуле: Яср = G -10-7(26/), где G — вес машины, воспринимаемый опорной поверхностью гусениц, Н; Ъ и / — соответственно ширина и длина опорной поверхности одной гусеницы, м. Тяговый расчет включает в себя определение основных параметров силовой установки, обеспечивающих требуемые тяговые характеристики, тягового усилия, максимальных рабочих и транспортных сопротивлений, мощности и крутящего момента двигателя и др. Исходными данными при расчете являются: требования к машине и рабочим органам со стороны технологического процесса, параметры рабочего органа, тип движителя, коэффициенты Рис. 2.5. Схема сопротивлений при движении четырехгусеничной дорожной машины на прямолинейном участке (а) и на подъеме (б) сопротивлений, скорости движения и др. Может быть решена и обратная задача. По заданным тяговым характеристикам определить возможные скорости движения и другие параметры рабочего оборудования. Тяговое усилие, которое должно развиваться движителем, определяют по сопротивлениям, возникающим в рабочем и транспортном режимах движения машины. Расчетными являются рабочий (тяговый) и транспортный режимы работы. Сопротивлением воздуха в рабочем режиме движения дорожных машин пренебрегают. Общая сила (Н) сопротивления движению машины в рабочем режиме = WK ± Wa + W. + Wz,    (2.9) где WK — сила сопротивления перекатыванию, Н; Wn — сила сопротивления при движении на подъем (спуск), Н; W„ — сила сопротивления преодолению сил инерции, Н; Wz — горизонтальная суммарная сила сопротивления, возникающая при взаимодействии рабочих органов с обрабатываемой средой (методы ее определения рассмотрены в соответствующих разделах). В транспортном режиме работы общая сила сопротивления движению гусеничной машины WT = WK±Wn + W 'и,    (2.10) где Wh — сопротивление преодолению сил инерции при разгоне до транспортной скорости. Сопротивлением воздуха для гусеничных машин пренебрегают. Силы сопротивления и Wn для транспортного и рабочего режимов определяют аналогично. Сила сопротивления перекатыванию движителя (рис. 2.5, а) пропорциональна силе, нормальной к опорной поверхности, т. е. WK = Gf cos а, где G — вес машины, воспринимаемый опорной поверхностью гусениц, Н; f — коэффициент сопротивления перекатыванию, для гусениц с опорными катками на подшипниках качения f — 0,05ч-0,08, для гусениц на подшипниках скольжения / = 0,09н-0,12; а — угол наклона местности, °. Сила сопротивления при движении на подъем (спуск) Wn = ±G sin a « Ga,    (2.11) где a — уклон местности, a = tg a sin a. При движении на спуск значение силы в Wn вводят со знаком минус. Сила сопротивления преодолению сил инерции WB = j-8Bpj,    (2.12) где g — ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с*; бвР — коэффициент, учитывающий вращающиеся массы; '/ — ускорение, м/с2, / = о/тр (о — скорость машины после разгона, м/с; тр — время разгона, тр = 2-ь5 с). Для гусеничных машин коэффициент 6вр = 1,2 + 0,002ia; для пневмоколесных машин бвр= 1 +0,05(1 + it) G/G0, где i — общее передаточное отношение от двигателя к валу ведущей звездочки гусеничной цепи; /„ — передаточное отношение трансмиссии; G и G0 — соответственно вес машины с полной (нормальной) нагрузкой и с нагрузкой, отличающейся от нормальной, Н. Условие движения пневмоколесной машины при работе имеет (т) ^ Т’да < Окфсц, Где Гдв — тяговое усилие на движителе, обеспечиваемое двигателем, Н, ТЛв — *= /Удв- 103г)тр/им (Л/дв — номинальная мощность двигателя, кВт; т]тр—КПД Трансмиссий; им — рабочая скорость машины, м/с); G„ — нагрузка, приходящаяся на задний мост, Н; фсд — коэффициент, характеризующий сцепление колесного движителя с грунтом. Для расчета усилий, действующих на элементы опорных устройств, а также устойчивости машины находят распределение Нагрузок по осям ходового устройства. Эти нагрузки рассчиты-йают для транспортного и рабочего режимов машины (рис. 2.6). В транспортном режиме рассматривают случай, когда рабочие ррганы машины подняты (рис. 2.6, а). Из уравнения Е М{ = 0 относительно заднего моста В находят нагрузку #лтр, приходящуюся на передний мост в транспортном режиме. Нагрузку, приходящуюся на задний мост, находят из уравнения RBtv = ■»= G — Ядтр- Распределение нагрузок по осям в рабочем положении определяют для двух случаев: в первом — рабочие органы опущены Ва основание, во втором — один из мостов вывешен, а машина Опирается на другой мост и рабочий орган. В первом случае (рис. 2.6, б) из суммы моментов 2Mt исключают моменты сил тяжести элементов рабочего оборудования; во втором—для определения RAp составляют сумму моментов относительно точки С опоры, действующих на основание рабочих органов машины. Нагрузку на опорную поверхность элементов рабочих органов в точке С находят из уравнения RCp — G — RAp. Определив #Лр и RCv, находят нагрузки, приходящиеся на один опорный элемент. Максимальную нагрузку на шину определяют при вывешивании заднего моста RMmax ~ RAp/2; максимальная нагрузка на один опорный элемент рабочего органа /?р шах = /?Ср/2. Если нагрузка на 35 % превышает допустимую I I
Рис. 2.6. Схема распределения масс машины: а — в транспортном положении; б — в рабочем положении; Л14 — трактора (без гидросистемы рабочего органа); Mj — механизма отбора мощности; М, — центрального редуктора с муфтой; М4 — бортового редуктора; М, — корпуса фрезы; М, — фрезы; Мт — опорного устройства; М> — гидроходоуменьшителя; М, — гидросистемы рабочего органа; М10 — пневмосистемы
^ для соответствующих шин при скорости 35 км/ч, то вывешивание \гг\г*гп, \ ГГ\ О'Г    ТТ! Т/-'Г»Т vn VT> П'ГТГ/'ЧГ>Г\П’\*|Л1Т1ТТ rV Устойчивость самоходных дорожных машин. Машины с навесным оборудованием разогревателя, дорожной фрезы, снегоочистителя, маркировочной машины и др. рассчитывают на продольную и поперечную устойчивость в рабочем и особенно в транспортном режимах. Исходными данными для расчета являются масса всей машины и основных элементов и агрегатов, координаты центров масс, колея, база, радиус поворота, коэффициент продольного и поперечного сцепления колес с основанием. Поперечная устойчивость является одним из важных качеств самоходной дорожной машины. Поперечная устойчивость характеризуется следующими показателями: и3 — максимальная критическая скорость начала заноса машины при движении по окружности, м/с; v0 — максимальная критическая скорость начала опрокидывания машины при движении по окружностм, м/с; — максимальный критический угол косогора, определяющий начало поперечного скольжения колес при движении поперек наклонной поверхности; — максимальный критический угол косогора, определяющий начало опрокидывания машины поперек движения. Исходными параметрами для определения критических значений va, v0, ра и ро являются: радиус i?mln поворота продольного движения машины; В — колея; срсц — коэффициент поперечного сцепления колес при движении по сухой поверхности; координаты ht центра тяжести основных элементов и подсистем машины. Из уравнения суммы моментов сил инерции относительно линии опрокидывания при криволинейном движения машины по Дуге радиусом Rma 2 Mthi = т2Ац. Т определяют вертикальную координату т расположения центра Тяжести машины: Ьц. т = 2 М ihi/fflz, Где — суммарная масса машины, ms — 2/я; (mj — масса отдельных элементов). Критическую максимальную допустимую скорость движения Определяют из условий предотвращения опрокидывания: ^уд ^ ^опр> |*де Муд — момент, удерживающий машину от опрокидывания, Муп = MzgB/2\ А?опр — момент опрокидывания под действием центробежной силы инерции, А^опр —    т/^mln- Из неравенства Муд > Мопр по условию опрокидывания определяют значение критической скорости: Критическую скорость по условию заноса определяют из не- П9В0НГ 'ГРЭ' ^СЦ 7^ Рц< где Рсц — сила сцепления при боковом скольжении колес; Рц — центробежная сила инерции. Исходя из этого условия, «з « £Фсц# Ш1П- Критический угол поперечного наклона дороги по условию скольжения машины определяют из неравенства: ^сц.унл ^као» где Рсц. унл — сила сцепления машины на уклоне, Рсц. унл = Gs cos РзФсц (Gj, = mzg)\ Якас — касательная составляющая силы тяжести, сдвигающая машину, Ркас = Gz sin Р3. Из этого условия определяют Ра С arctg фсц.    (2.14) Критический угол поперечного уклона дороги р0 по условию опрокидывания определяют из неравенства: ^уд ^опр* где Муд — момент, удерживающий машину от опрокидывания, Муд = = Gz cos Р0 (В/2); Мопр — момент опрокидывания, Л*опр = 02 sin Р0ЛЦ т. Исходя из этого условия, р„ < arctg [В/(2АЦ.Т)1.    (2.15) 2.3. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ, АВТОМАТИЗАЦИЯ , И РОБОТИЗАЦИЯ ДОРОЖНЫХ МАШИН Системы управления дорожных машин обеспечивают автоматизированное, автоматическое или ручное управление машиной и отдельными исполнительными органами в рабочем и транспортном режимах работы. Особенностями систем управления дорожных машин являются: необходимость одновременно управлять несколькими параметрами (курсом, поперечным и продольным уклоном, оптимальной с минимальным расходом топлива загрузкой приводящего двигателя, подачей и температурой технологических материалов и др.); независимое одно от другого регулирование контуров; компенсация воздействия на объекты управления возмущающих нагрузок от неровности почвы, неоднородности разрабатываемой среды и распределяемых технологических материалов, температуры окружающего воздуха и скорости ветра; использование в системе управления бортовых ЭВМ; регулирование параметров в широком диапазоне времени (от десятых долей секунды до нескольких часов). Системы управления на дорожных машинах бывают ме-хяничрскими гиттпавлическими пневматическими и комбинированными. Наиболее распространенными на дорожных машинах являются насосные гидравлические, в частности объемные гидросистемы управления рабочими органами, которые в отличие от механических снижают металлоемкость, обеспечивают повышение производительности и позволяют более эффективно регулировать положения в пространстве. Особенностями объемных гидросистем управления рабочими органами дорожных машин являются: широкое использование гидросистем базовых тракторов; преимущественное применение гидродвигателей возвратно-поступательного типа и полнопоточных разомкнутых схем; использование нерегулируемых насосов и гидродвигателей, а также дроссельного регулирования скорости. Для дистанционного управления золотниками и гидрораспределителями применяют электрический, гидравлический или комбинированный (электрогидравлический и электропневматический) тип управления. Пневматические системы обеспечивают управление тормозами, муфтами, привод стеклоочистителей и включение пневматического сигнала. Механические, гидравлические и пневматические системы управления рассчитывают по формулам, используемым соответственно в расчетах механических, гидравлических и пневматических систем. Для повышения эффективности работы на дорожных машинах широкое применение находит автоматизация рабочих процессов. Для автоматического управления положением (позици-рованием) рабочих органов дорожных машин применяют следящие системы: бескопирные, копирные и комбинированные. Важным элементом этих систем является датчик, устанавливаемый на рабочем органе машины. Датчик реагирует на изменение положения рабочего органа относительно задаваемого и вырабатывает сигнал рассогласования, который после усиления и преобразования подается на исполнительный механизм, перемещающий рабочий орган, и датчик до момента исчезновения рассогласования. Бескопирные системы («Профиль-1», «Профиль-10», «Автоплан», «Стабилоплан») предназначены для автоматической стабилизации углового положения рабочего органа при планировании поверхности. В этих системах датчики углового положения (маятник, уровень, сообщающиеся сосуды) реагируют на угловые смещения рабочего органа относительно вертикали (заданное положение). Копирные системы отличаются тем, что в них датчик определяет смещение исполнительного органа относительно копирной (опорной) базы, ориентируемой вдоль трассы параллельно уклону и курсу дороги, траншеи и др. Копирной базой служит визирная ось, задаваемая с помощью визирок или оптической трубы теодолита: натянутая проволока (трос); опорная под движителем ма- Рис. 2.7. Схема автоматического управления продольным и поперечным уклонами асфальтоукладчика: / — электрический разъем; 2 — датчик поперечного уклона; 3, 4 — лыжи длиной соответственно 2 и 7 ы; 5 — копирный трос; 6 — поворотный кронштейн; 7 — датчик; 8 — датчик продольного уклона с лыжей; 9 — блок сравнения; 10 — распределительная коробка; // — предохранители; 12 — гидроцилиндр; 13 — гидрозамок; 14 — гидрозолотник с электромагнитным управлением; 15 — переключатель режима работы (ручной, автоматический); 16 — манометр; 17 — блок дистанционной настройки датчика поперечного уклона шины поверхность, радиолуч и световой луч. Чувствительными элементами, вырабатывающими сигнал рассогласования, являются в этих системах соответственно глаз оператора, скользящий по проволоке щуп, приемная антенна и фоточувствительные элементы. Получили распространение копирные системы, работающие по копирному тросу. Их применяют на асфальтоукладчиках, а также на машинах для скоростного строительства дорог. Комбинированные (двухконтурные) системы «Профиль-2», «Профиль-20», «Стабилослой-20* включают в себя копирную си-rtpmv с mvnoBbiM датчиком ЩЩ) на базе копирного троса и бес-копирную систему с маятниковым датчиком углового положения (ДУП). Двухконтурные системы «Профиль-2», «Профиль-20» применяют для стабилизации заданного положения рабочего органа по высоте и в поперечной плоскости. Копирная система обеспечивает регулирование одного конца рабочего органа по высоте, а бескопирная — его угловую стабилизацию. В процессе работы асфальтоукладчика, оборудованного системой автоматики (рис. 2.7), неровность поверхности воспринимается чувствительными элементами датчика продольного уклона 8 и поперечного уклона 2. Продольный уклон задается с помощью натянутого троса 5 или определяется уклоном базовой поверхности, по которой скользит в зависимости от ее ровности датчик с лыжей и лыжа 3 или 4. Поперечный уклон задается дистанционно с помощью блока 17 настройки. Датчик 8 закреплен на поворотном кронштейне 6, вертикальная стойка которого регулируется по высоте так, чтобы обеспечить эффективную работу датчика продольного уклона при различных уровнях базовой поверхности. Настройка датчика 8 на заданный уклон соответствует отклонению его чувствительного элемента по отношению к тросу или лыже на 45°. При отклонении действительного профиля уложенного покрытия от заданного срабатывает соответствующий датчик 8 или 2. Сигнал от датчиков поступает на блок 9 сравнения, который подает команду через распределительную коробку 10 на гидрозолотники 14 с электромагнитным управлением. Гидрозолотники 14 обеспечивают подачу рабочей жидкости от насоса гидросистемы в гидроцилиндры 12 управления положением вибробруса. Гидроцилиндры 12 поднимают или опускают вибробрус в соответствии с заданным профилем покрытия. Скорость движения гидроцилиндров пропорциональна отклонению действительного профиля от заданного. Комплекс машин для скоростного строительства дорожных одежд с цементобетонным покрытием оборудован системой автоматики типа «Профиломат», обеспечивающей автоматическое соблюдение машинами заданного курса, продольного и поперечного уклонов. Копирные системы автоматики имеют существенные недостатки: применение их возможно только при линейном производстве работ, повышенная трудоемкость подготовительных работ по установке копирного троса, появление недопустимых погрешностей в работе копирно-щуповой системы управления в результате провисания троса, колебания щупа, ошибки высотной привязки. В качестве жесткой опорной базы используют подготовленное дорожное основание, дорожное покрытие, бордюрный камень. Возмущающее воздействие на чувствительный элемент (датчик) в этом случае передается через промежуточный механизм, обкаты- 3 П/р В. И. Баловнева 65
' 2 Рис. 2.8. Схема автоматического выдерживания продольного (а) и поперечного (б) уклонов рабочим органом машины для фрезерования дорожных покрытий: / — базовая плоскость; 2 — щуп: 3 '■■■ блок сравнения действительного значения с заданной и датчик; 4 датчик: I — управляющий золотник; 6 — гидроцилиндр: 7 — цифровой задатчик уклона вающий базовую поверхность. Для обкатывания базовой поверхности используют лыжу, тележку на рамках с выравнивающим рычажным механизмом, балку с шарнирной подвеской. На машинах для холодного фрезерования дорожных покрытий, чтобы выдерживать продольный уклон, глубину фрезерования на левой и правой сторонах устанавливают отдельно в зависимости от базовой плоскости (рис. 2.8, а). Заданный уклон устанавливают через кривошипные рукоятки и регистрируют на шкалах. Фрезы поднимают и опускают с помощью двух гидроцилиндров, управляемых через золотники устройством, сравнивающим действительную и заданную величины. При отсутствии на одной стороне машины базовой плоскости или в случае необходимости выдерживания задаваемого поперечного профиля поверхности дорожного покрытия используют регулятор поперечного уклона, который автоматически сохраняет заданный поперечный уклон независимо от установленной глубины фрезерования. Регулятор поперечного уклона монтируют как на левой, так и на правой сторонах машины (рис. 2.8, б). Наиболее прогрессивными и широко применяемыми в настоящее время являются лазерные системы управления. Лазерные системы основаны на широком использовании микроэлектроники, интегральных схем, микропроцессоров, логических, запоминающих и вычислительных устройств. Эти системы могут быть использованы для управления группой дорожных машин на больших площадях и расстояниях (до 500 м) при высоких скоростях движения, пространственной автоматической ориентации рабочих органов, регулирования курса машин и высотного положения рабочего органа по заданной программе. Применение лазерных систем при линейных работах позволяет обеспечить одновременное управление курсом машины и толщиной укладываемого слоя. Опорной базой управления в этом случае может служить секторная в горизонтальной плоскости или крестообразная форма излучения, образованная пересечением двух секторов. Рис. 2.9. Схемы лазерного сканирующего (а) координатора и растрового автокоординатора (б): ? — лазерный излучатель; 2 — формирователь оптического луча; 3 — датчик положения рабочего органа; 4 — фотоприемник; 5 — блок усиления электрического сигнала; 6 — электронный ключ; 7 — цифровое измерительное устройство; 8 — кривая фотоприемника; 9 — рабочий орган машины; 10 растровый излучатель; 11-^12 — фильтры частот fг и ft. 13—14 —детекторы; 15 -- усилительно-множительное устройство Комплексная автоматизация успешно осуществляется на базе разработки и широкого применения лазерных координаторов для управления рабочими органами дорожных машин. Лазерные сканирующие координаты (рис. 2.9, а) просты в изготовлении и настройке и могут быть двухкоординатными при одном излучателе. Растровые автокоординаторы (рис. 2.9, б) можно использовать для программного управления рабочими органами дорожных машин. Для дорожных машин целесообразно иметь единый базовый унифицированный излучатель многоцелевого назначения и на этой основе формировать, например, лазерный сканирующий излучатель с коллиматорной оптикой и лазерный излучатель прожекторного типа. Для дорожных машин, положение рабочих органов которых характеризуется единой координатой, перспективным оборудованием являются радиоанализаторные координаторы. Наиболее перспективным направлением автоматизации дорожных и строительных машин является их роботизация, которая основана на использовании роботов с различным технологическим оборудованием и единым управлением от ЭВМ и встроенных микропроцессоров. Наиболее эффективным является не единичное применение роботизированной системы — дорожно-строительной машины, а создание роботизированных комплексов для всего технологического процесса. Согласно ГОСТ 25686—85 роботом называют автоматическую машину, представляющую собой совокупность манипулятора и перепрограммируемого устройства управления для выполнения в производственном процессе двигательных и управляющих функций, аналогичных функциям человека при перемещении предметов производства и оснастки. Под пере-программируемостью робота понимают его свойства менять управляющую программу автоматически с помощью оператора.' Наиболее характерной является способность манипулятора захваты- вать и удерживать предметы. Применение на дорожных машинах ооботов и создание роботизированных и полностью автоматизированных гибких управляемых от ЭВМ систем является одним из перспективных направлений развития дорожно-строительной техники. Оно позволит получить существенную экономию материальных, энергетических и трудовых ресурсов в народном хозяйстве. 2.4. ОСОБЕННОСТИ ВЫБОРА БАЗОВЫХ ТЯГАЧЕЙ ДОРОЖНЫХ МАШИН Рабочее оборудование мобильных дорожных машин устанавливают на транспортном средстве, обеспечивающем передвижение этого оборудования и выполнение соответствующих технологических операций. Используемое транспортное средство является базой дорожной машины. Особенностью базовых транспортных средств (шасси) дорожных машин является широкое применение специальных шасси, промышленных гусеничных и колесных тракторов, тягачей и автомобилей. Мобильность базовых шасси — это достаточная транспортная скорость (до 40 км/ч) в сочетании с малой (0—0,5 км/ч) скоростью рабочего движения. Эффективность использования применяемых машин при строительстве и ремонте улиц различной ширины, дорог, проездов, тротуаров, дворов может быть обеспечена только при условии их высокой маневренности. Базовое шасси должно обеспечить максимальный комфорт и благоприятные условия работы оператора за счет легкого (без значительных физических усилий) управления; достаточной обзорности, освещенности (в ночное время) рабочих органов и объекта работы; удобного сидения, снижающего утомляемость оператора; удобной кабины, защищающей оператора от шума и вибрации. Базовое шасси должно быть простым в эксплуатации, иметь минимальное число точек для обслуживания и легкий доступ к ним. Шасси должно также удовлетворять требованиям технической эстетики; внешний вид должен быть привлекательным, иметь художественную выразительность. Силовая установка базового шасси должна обеспечивать возможность привода рабочего оборудования дорожных машин, стоящих неподвижно у объектов обслуживания (трамбовок, бурильно-крановых машин). В транспортном режиме в ряде случаев приходится затрачивать дополнительную мощность на привод специального оборудования (мешалок в автобетоносмесителях и др.). При работе в тяговом режиме с повышенным сопротивлением обрабатываемой среды базовое шасси должно обеспечить эффективное сцепление машин с дорожным покрытием и условие проходимости. Широкое применение на дорожных машинах находят гусеничные и колесные тягачи, последние разделяют на одноосные, двухосные и специальные. Одноосные тягачи обычно являются передней ведущей и управляемой осью. Самостоятельно без рабочего оборудования одноосный тягач передвигаться не может. На одноосных тягачах устанавливают оборудование катка, аэродромной уборочной машины. Одноосные тягачи в комплекте с рабочим агрегатом быстроходны, маневренны, удобны, а двигатель расположен рядом с ведущей осью, что упрощает трансмиссию. Главным параметром, по которому формируют типоразмерный ряд колесных и гусеничных тракторов, является тяговый класс, определяемый номинальным тяговым усилием базовой модели. В качестве базы дорожных, а также машин для содержания и ремонта дорог широко используют автомобили, шасси автомобилей, автомобилей - самосвалов, автомобилей повышенной проходимости со всеми ведущими колесами и увеличенным числом осей, а также седельные тягачи. Рис. 2.10. Схема алгоритма выбора базового тягача дорожных машин
Главный параметр автомобилей и шасси автомобилей — грузоподъемность. Главный параметр седельных тягачей — нагрузка на седельно-сцепное устройство. При создании различных типов дорожных машин приходится дорабатывать применяемые шасси в соответствии с требованиями, предъявляемыми к данному типу машины: устанавливать двигатель взамен или дополнительно к имеющемуся, дополнительно правый руль с системой управления, ходоуменьшитель или демультипликатор; стабилизаторы рессор, дополнительные средства для предохранения трансмиссии от перегрузок на малых скоростях движения; усиливать рессоры; предусматривать в кабине управление всеми дополнительными узлами и агрегатами. При невозможности использования серийно выпускаемых тяговых и транспортных средств в качестве базы дорожных машин разрабатывают специальные гусеничные и колесные шасси с использованием агрегатов и узлов серийно выпускаемых тяговых средств или с узлами собственного изготовления. Применение серийно выпускаемых для тракторов и тягачей узлов и агрегатов (модулей) повышает уровень унификации, надежности и снижает стоимость специализированных шасси. Для машин, не работающих в тяговом режиме, изготовляют собственные гусеничные и колесные шасси. Базовое шасси выбирают в соответствии с заявкой заказчика на новую продукцию на основе результатов выполненных предварительно научно-исследовательских и экспериментальных работ, научного прогнозирования, анализа передовых достижений и технического уровня отечественной и зарубежной техники. Особенности выбора базового тягача дорожных машин следующие. Первоначально заполняют информационную матрицу, в которой отмечают соответствие технических характеристик серийно выпускаемых тягачей и тракторов требуемым для разрабатываемой машины. В первой строке матрицы указывают задаваемые для вновь разрабатываемой машины технические требования к базовому тягачу. В остальных строках регистрируют соответственно выполнение или невыполнение заданных требований со стороны серийно выпускаемых тракторов. После заполнения матрицы в ее последнем столбце отмечают серийные тягачи и тракторы, которые удовлетворяют всем заданным требованиям. Если ни один из серийно выпускаемых тракторов и тягачей не удовлетворяет всем заданным техническим и экономическим требованиям, необходима разработка собственной базы. В качестве первоначальных конструктивных решений компоновки новой б ты должны быть прежде всего использованы агрегаты и узлы серийно вьш)№К2гёмы-х тракторов и тягачей, которые обесшчивашт выполнение каждого отдельного технического требования (рис. 2.10). I ЛАВА 8 » UUI lull n'tUiAnL (AillUOUl 0>)/1ПШиДСПЪ10П^ РАБОЧИХ ОРГАНОВ И ОБОРУДОВАНИЯ ДОРОЖНЫХ МАШИН СО СРЕДОЙ 3.1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ МЕХАНИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ СО СРЕДОЙ Сопротивления, возникающие в процессе взаимодействия инструмента дорожной машины со средой, описываются системой уравнений, структура и состав которой зависят от вида и свойств среды и характера действия инструмента. Рабочая среда, в которой происходит движение исполнительного рабочего органа, накладывает на движение инструмента геометрические и кинематические ограничения. При составлении расчетной схемы принимают во внимание, что при действии на среду инструментом (отвалом, ножом, зубом, лопастью и др.) над системой среда—инструмент располагается массив материала, который был предварительно разрушен инструментом (призма волочения). Поверхности скольжения, по которым происходит отделение элемента материала от массива, в каждом случае имеет форму, соответствующую направлению движения с наименьшим сопротивлением. Напряжения, возникающие на поверхности инструмента, контактирующего со средой, могут быть установлены на основании использования реологических моделей состояния среды, методов механики сплошной среды и, в частности, сыпучей среды со сцеплением, а также методов, основанных на экспериментальных исследованиях. Определение напряжений на основании анализа реологических моделей. Наглядное представление о характере изменения напряжений ,и деформаций среды в зависимости от вариаций, определяющих ее физико-механические свойства при механическом воздействии, дают реологические модели. Последние представляют среду в виде упрощенных механических моделей, составленных из механических элементов, каждый из которых или их сочетание дают представление об основных свойствах среды и характере на-пряженно-деформированного состояния под действием внешних нагрузок. Простейшие реологические модели (табл. 3.1) могут быть использованы при изучении общих закономерностей процессов взаимодействия рабочих органов со средой. Обычно их используют как вспомогательное средство, облегчающее представление о поведении материала под внешним воздействием, характер из- ОрЛЯПРИЧ»гк*в Моделируемая среда Механическая форма Математическая запись Нанмено- вавне модели Упругая а— е£; х=уО Пластическая Сен-Вена Вязкая Ньютона Упругопластиче Прандтля Упруговяэкая: с релаксацией напряжения ц 6 hvME—~- Максвелла с запаздыванием деформаций Фойгта с явлением ползучести x~yG\ T=»'ylOl-|-, do Кельвина Упруговяэкопла- стическая t=vG; t=y1G,+ Бингама Упруговязкопластическая релакси-рующая t=v<3; т=?А+ -Ипл'. ^=Т=Ш1+ . dv Шведова менения которого трудно представить при рассмотрении сложной математической модели. Идеальной среде, представляемой в виде реологической модели, присваивают имя ученою, исследиъаь-шего-впервые характер изменения напряженно-деформированного состояния такого материала под нагрузкой. Реологическую модель состояния упругого материала обозначают символом у и называют моделью Гука. Такую модель представляют в виде пружины, которая характеризует свойства упругости. График зависимости напряжения от деформации при нагружении и снятии нагрузки имеет прямолинейный вид и определяется законом: о = Ег, где Е — модуль упругости; в — относительная деформация. Модель идеально пластического или жесткопластического материала представляют в виде ползуна, перемещающегося по поверхности без смазочного материала (сухое трение). Такую модель называют моделью Сен-Венана и обозначают символом ж. Материал такого типа под действием внешней нагрузки не деформируется до тех пор, пока напряжение не превысит определенного предела пластичности тпл. Условие наступления пластической деформации как остаточной деформации сдвига определяется соотношением тпл = Gy (где G — модуль сдвига; у — деформация сдвига). Пластический материал с упрочнением условно представляют в виде набора подобных единичных моделей, соединенных стержнями. Модель идеально вязкого тела представляют в виде поршня с отверстиями, движущегося в цилиндре, заполненном жидкостью. Такую модель называют Ньютоновой и обозначают символом в. Работа внешних сил, затрачиваемая на преодоление сил трения со смазочным материалом, превращается в теплоту и является необратимой. Напряжения в вязкой модели пропорциональны градиенту скорости приложения нагрузки: где г\ — коэффициент динамической вязкости; v — скорость перемещения; г — расстояние. Сложные реологические модели в виде механического сочетания простых моделей позволяют с большим приближением описывать свойства реальных сред. Их составляют путем параллельного или последовательного соединения простых реологических моделей (см. табл. 3.1). Общее реологическое уравнение, пригодное для рассмотрения различных реологических моделей, записывают в виде следующей аддитивной функции: t — тт = Оу + W — Т’р'г = 0(у + Tpy) - Трт, где т — напряжение; тт предел текучести; у — скорость деформирования; Тр — время релаксации, Гр = т]/б.

т,
б)
в)
Ж
ш
г}
<гр
Рис. 3.1. Реологические модели процессов взаимодействия рабочих органов дорожных машин со средой: а — зуб рыхлителя фрезы; б — элемент дробящего устройства; » — лопасть смесителя; г — уплотняющая плита Процесс послойного рыхления или фрезерования среды при ее отделении от массива и перемещения перед рабочим органом в виде призмы волочения можно представить сложной реологической моделью (рис. 3.1, а). Первая модель Жл является пластической моделью Сен-Венана и имитирует призму, вторая, состоящая из набора элементов жа, у, в, представляет собой упруговязкопластическую модель. Она имитирует процесс отделения элемента среды от массива. Напряжение в такой системе определяется зависимостью Tj. = Ту -[- fT. mi = Тт. ж!( -f- Тт, в. Деформация системы описывается уравнением Vs ^ Ту Тт. ж** Процесс дробления также можно представить в виде упруговязкопластической модели (рис. 3.1, б). Элемент у имитирует мгновенную упругую деформацию материала под нагрузкой. Элементы в и ж моделируют проявление жесткопластических н вязких свойств материала. Для хрупких материалов модель преобразуется в жесткопластическую путем изъятия из системы демпфирующего элемента в. Напряжение в системе Tj — Т-у — Тт, }к -j~ Тт. в. Деформация материала под действием нагрузки в соответствии с функционированием модели Ух = Ту 4 Тт. в = Ту + Тт. ж- Смешивание строительных материалов можно представить схематично на базе реологической модели, приведенной на рис. 3.1, в. Реологическая модель процесса смешивания содержит жесткопластический элемент ж и вязкий в, соединенные параллельно. Рис. 3.2. Схема взаимодействия со средой рыхлительного элемента: а *— прямоугольный зуб; б ~ конический зуб Напряжение в системе т = тж + тв. Для определения деформаций У = 7ж = ?в- Процесс уплотнения можно представить одной из многочисленных моделей, имитирующих протекание сдвиговых деформаций под действием статической нагрузки (рис. 3.1, г). Модель состоит из элементарных моделей, характер которых рассмотрен ранее. Определение напряжений, возникающих на поверхности инструмента при работе в среде, на основании теории предельного равновесия сыпучей среды со сцеплением или пластичной среды. Основные положения теории предельного равновесия применительно к определению пассивного давления на подпорные стенки заключаются в следующем. При нарушении равновесия сопротивление сдвигу для связной среды описывается следующей зависимостью: = orn tg р + си, где тя — касательное напряжение в рассматриваемой точке среды; <зп — нормальное напряжение; р — угол внутреннего трения; сш — коэффициент сцепления между частицами среды. Среду, в которой отсутствует сцепление (сш = 0), называют идеально сыпучей; среду с большим сцеплением, в которой отсутствует трение между частицами (р = 0, а са ф 0), называют идеально связной. При известных внешних условиях на контуре могут быть определены искомые давления среды на инструмент для каждого из рассматриваемых случаев. Среда, оказывающая давление на поверхность инструмента, занимает полуплоскость и ограничена осью у, вдоль которой равномерно распределено нормальное давление р (рис. 3.2, а). При малых углах наклона поверхности к горизонту (пологие стенки) формулы для определения нормальных и касательных напряжений на поверхности инструмента, соприкасающейся со средой, имеют следующий вид: <*п = А\ [7* + си ctg р (1 — 1/Л) + р\, *» = Аг ["удг -|-cectgp(l - 1 Мх)+р]; 1 — sin р cos 2ат> 1 = 1—stop ’ sin р sin 2ар 4 1 — sin р ' где у — удельный вес среды; * — текущая координата по вертикали; р — давление, равномерно распределенное по внешней поверхности; ар — угол наклона поверхности инструмента, контактирующей со средой в поверхности к горизонту (угол резания).    ,¥ Для крутых и промежуточных наклонных стенок формулы для определения нормальных напряжений в замкнутой форме получены для невесомой среды: °п = ^afatCtgpO — 1/Л8) + р]; т» = А41сш ctgp (1 - l/Aj+p]; л cos б (cos в + У sin* р — sin* 6) / „    , , . , sin в\ . _ 8--'-Г=ШГ-1 ехр (2а> - я + 6 + arcsln iEp) tg р; . sin б (cos б + Vsin* р — sin* 6) / 0    . с    , sin б\ Ai=-V-2__н-/ ехр ^2ар - я + б 4- arcsln —) tgp, где б — угол внешнего трения. Зависимости справедливы при р £> б. В этом диапазоне углов наклона стенок при приближенном анализе давление среды может быть учтено введением р = Po + ух. Для глубин резания, имеющих место при работе зуба фрезы дорожной машины, вторым слагаемым можно пренебречь. Формула может быть использована для приближенных расчетов. Для частного случая, когда ар = 90', масса среды ограничена по контуру прямой, наклонной к горизонту под углом внутреннего трения р и б с р, формулы для определения напряжений на поверхность стенки имеют вид: а — ух cos® р + р\ т„ = ух sin р cos р + {р + cm ctg р) tg р. Определение напряжений на основании эмпирических зависимостей. Силы сопротивлений, возникающих при взаимодействии инструмента дорожной машины со средой, можно рассчитать на основании установленных закономерностей изменения ап и тп. Сила сопротивления определяется характером функции ап = / (х). Вид последней может быть установлен экспериментальным путем. Экспериментальную математическую модель — описание устанавливают в виде степенного полинома путем реализации плана многофакторного эксперимента. Такая регрессионная модель имеет вид: ап = До + а гх + а2 хг... Наиболее часто имеют место случаи: 1) а2 = 0; 2) ах = 0; 3) а0 — 0, а2 = 0; 4) а0 = 0, — 0. В качестве простой модели используют выражение, которое имеет место при взаимодействии инструмента с сыпучей средой со сцеплением: <*п = я0 + агх. При аг = Afl а0 = At(\ — 1 /At) сш ctg р уравнение принимает вид зависимости, которая следует из теории предельного состояния сыпучей среды со сцеплением. Коэффициенты определяют из уравнений, рассмотренных выше. При At = Лх <*п = I?* + ctg р (1 — 1MX)1. Определение сопротивлений, возникающих при взаимодействии рабочих органов дорожной машины со средой, базируется на анализе схемы, приведенной на рис. 3.2, а. Сопротивление движению прямоугольного зуба рыхлителя с лобовой поверхностью, установленной под углом ар к горизонту. Нормальную составляющую dN и результирующую dQ элементарной силы сопротивления на лобовой грани определяют следующим образом: dN — ап dl dz\ dQ = dN/(cos 6X), где dl — dx/(sin ap); — угол трения грунта о поверхность зуба, °. Горизонтальная составляющая силы сопротивления на лобовой грани dPpl = dQ cos рх, где Pi = 90° — (ap + б^. На основании изложенного dPvl = colPl 0 dx dz, pl sin ap cos Oj где ap — угол резания. Так как cos {5Х = sin (ap + 8^, получаем dPpi = (1 + ctg ap tg 60 a„ dx dz. Влияние краевого эффекта в первом приближении определяют величиной, эквивалентной усилиям, действующим на часть резца *****    UU1 руЖСНИИ ИНСТруМСНТв в среду, т. е. b = 5 + 2ft. Подставляя значение ап и b в формулу для определения dP и интегрируя ее, получаем полное сопротивление: В+2/i h
/>р, = (1 +ctgaptg6a) Ах j J [vx + c„ctgp (l — ^.)]dx dz
PVi = АаА1 (В + 2ft) Л [-f- + с. ctg (1 - -£-) ] , где Аа = (1 + ctg ар tgSj). При равномерно распределенной нагрузке р вдоль оси у, например, от призмы волочения P9l = AMB+2h)h[£- + C'ac\gp (l --J-) +р]. (3.1) Если высота проекции лезвия инструмента на вертикаль меньше глубины погружения (Л„ < Л), то при Л„ < Л давление пласта Рпл= P -)r lAp (ft — lH Sin CCp), где 7Г — удельный вес грунта; kp — (I + sin р)/(1 — sin р); /н — ширина инструмента в поперечном сечении. Значение PPl в первом приближении можно установить по формуле PPl = АаА1В1я sinap — -f c„, ctg p (l — -J-) -f pnst . (3.2) Для малых глубин резания, которые имеют место при фрезеровании, считают, что напряжение с увеличением глубины существенно не изменяется, так что ап == ср0 — const. В этом случае для прямоугольного резца с углом резания ар = 90° (рис. 3.2, а) B+2h A о 0
или P — ст0Л (В -f- 2ft).    (3.3) Сопротивление движению зуба фрезы, выполненного в виде конуса с углом при вершине р (рис. 3.2, б). Предполагаем, что при малых глубинах резания напряжение с увеличением глубины существенно не изменяется, так что а„ = о0 — const. Горизонте Рис. 3.3. Схема взаимодействия отвального и распределительного рабочего органа со средой: а — перемещение призмы; б - движение пласта по криволинейной поверхности отвала тальная составляющая сопротивления для одного резца с учетом краевого эффекта в рассматриваемом случае Р= J J о0 cos -у- (1 -j- tg Р tg -§-) dx dz или Р = о0 ctg ~~ (1 f tg р tg (Ь ■+ н>~~. Полученные зависимости дают достаточно точные результаты при (h/b) < 0,3. С увеличением глубины погружения резца при b — const возрастает влияние краевого эффекта. Приближенный расчет горизонтальной составляющей сопротивления для одного резца любой формы при рыхлении или фрезеровании асфальтобетонных покрытий может быть выполнен на основании эмпирической зависимости: Р = kF,    (3.4) где к’— эмпирический коэффициент, для разогретого асфальтобетона k ~ — 0,4ч-1,0 МПа; F — площадь вырезанной стружки. Определение сопротивлений перемещению отвального или отвально-распределительного рабочего органа в рабочей среде. Сопротивление от передвижения призмы перед отвалом, имеющим криволинейную поверхность с постоянным радиусом кривизны (рис. 3.3), определяется горизонтальной составляющей. Элементарное сопротивление, действующее на элемент поверхности скольжения: dPn = ап cos (се/2 — ф) dldz, где ап — нормальное напряжение, возникающее на рассматриваемой поверхности; а) — центральный угол цилиндрической поверхности; ф — угол, определяющий положение элемента на поверхности; dl = Rdtp (R — радиус кривизны поверхности). Для данного случая on = cos* ртРдс -+■ р (где Yp — удельный вес разрыхленного грунта). Тогда dP — yp cos2 р (х + HI2) R cos (©/2 — <p) d<p dz, где x = R sin (ф — co/2). Горизонтальная составляющая сопротивления призмы волочения при интегрировании в пределах от 0 до В и от 0 до ю ^пР = Yp cos* р ,    (3.5) где В — ширина резания; Н — высота призмы. Когда призма перемещается перед отвалов в виде единого целого, сопротивление может быть определено по формуле Л,р = Vyf,    (3.6) где V — объем призмы для отвальных органов, V = ВН*/(2tgp); у — удельный вес материала; / — коэффициент трения материала призмы по основанию. Сопротивление движению пласта среды по отвалу. Предполагается, что среда, составляющая пласт, несжимаема, [так что в процессе движения претерпевает изменение только форма пласта, и размеры его на этом этапе анализа известны. Элементарный объем движущегося пласта и силы, действующие на него, приведены на рис. 3.3, б. Вырезанный элемент находится под действием следующих сил; силы dG тяжести, сил dNn, действующих на пласт со стороны окружающей среды, силы dPa инерции (касательная и нормальная составляющие), силы dTn трения и dNm сопротивления, являющихся следствием изгиба пласта. Расчетная схема соответствует движению пласта снизу вверх. В этом случае пласт находится под действием внешнего давления огП1, опа, распределенного по поверхности скольжения, силы Р0. препятствующей движению пласта, и силы Рал, действие которой обусловливает движение пласта в указанном направлении и которую требуется определить. Параметры, характеризующие протекание процесса (физико-механические свойства среды, закон распределения давлений ап, сила Р0 и размеры пласта), известны. Принимаем, что сцепление между частицами среды на поверхностях скольжения отсутствует, характер распределения давления призмы на отвал соответствует давлению на подпорную стенку по теории предельного состояния сыпучей среды: весом пласта пренебрегаем. Изменение давления на поверхность отвала устанавливают на базе теоретической модели: о* = Ai [Yp* + c^ctgp (l — -^) + p] • Величину p определяют так: Р = Лр^(1+-г)' где И — высота призмы перед отвалом, равная высоте последнего. Рис. 3.4. Схема движения лопасти смесителя в смешиваемой среде Остальные обозначения приведены ранее.
Исходное уравнение для определения Т имеет вид: — Tig Ь = anRB (tgfi tgp). Решение уравнения определяется видом функции изменения нормального давления о„ в зависимости от х или текущего угла <р. Если ап = агх, то для расчетов можно рекомендовать формулу Рпа = (tg б + tg р) axBH*k arcsln (I -f tg б arcsln -f + P0 (1 + 2 tg 6 arcsln -gg-) . С учетом веса движущегося пласта формула имеет вид: Рпл = (tg б + tg р) а^НЧ arcsln^ (1 + tg б arcsln + + Р0 (1 + 2 tg б arcsln -—"j 4- УрВаН, где а — толщина пласта; Vp — удельный вес среды, составляющей пласт. Анализ полученного выражения позволяет сделать вывод, что при k=(R/H)^s 0,9-т-1,1 влияние кривизны поверхности скольжения на сопротивление движению пласта по отвалу невелико. В этом случае формула для сопротивления движения пласта по поверхности скольжения упрощается. Для <х„ = ахх при R Н и аг — ур cos2 р Рпл = (tg б + tg р) vp cos* р + Р0-С учетом веса пласта при Р0 — 0 Л» = (tg б + tg р) Yp cos* р + УрВаН.    (3.7) Сопротивление движению лопасти или пластины в среде, подвергаемой смешению, определяют в соответствии со схемой (рис. 3.4). При работе в среде, когда а = а0, с учетом поправки на краевой эффект горизонтальная составляющая сопротивления В+2Л & Р = J J <r0cosa(l -j-tgptga)dxdz Р = o0cosa (1 + tg р tg а) Л (Ь -)- 2Л),    (3.8) где 0О — напряжение на поверхности контакта пластины со средой; а — угол установки лопасти к направлению движения; Л — длина лопасти по радиусу» Ь — ширина лопасти. Приближенный расчет сопротивления движению лопасти в рабочей среде выполняют по формуле Р — /г cos a (1 -f tgptga)6ft,    (3.9)
где k — эмпирический коэффициент сопротивления, для цементобетонной смеси k — 0,01ч-0,3 МПа.
Приближенные расчеты могут быть выполнены с использованием реологических моделей. Соответствующие реологические коэффициенты определяют для каждого вида смеси экспериментально.
3.2. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ НАГРЕВА И СУШКИ
В ДОРОЖНЫХ МАШИНАХ
При конструировании дорожных машин и устройств, осуществляющих нагрев материалов (битумохранилищ, битумоплавильных котлов и агрегатов, гудронаторов, сушильных барабанов асфальтовых установок, смесителей и др.), тепловые расчеты имеют важное значение.
В этих расчетах рассматриваются следующие вопросы: расчет процесса горения; определение расхода теплоты для подогрева материала до необходимой температуры; определение потерь теплоты; определение температуры подогреваемых материалов и продуктов горения по зонам подогрева; определение расхода топлива на 1 ч работы машины и на единицу подогреваемой продукции; определение необходимых размеров топки, пылеулавливающих и обезвоживающих устройств и др.
В тепловых расчетах дорожных машин использованы основные понятия, закономерности и методы расчета, излагаемые в теплотехнике: основы теплопередачи (теплопроводность, конвекция и излучение); теоретические основы процесса сушки; расчет процесса горения; расчет температуры горения; расчет движения газов в тепловых установках и устройствах для перемещения газов.
Тепловые расчеты дорожных машин включают расчет процесса горения топлива, тепловой расчет битумохранилища, тепловой расчет автогудронатора, тепловой расчет сушильного барабана и топки асфальтосмесительной установки, расчет асфальто-разогревателя.
Процесс горения топлива рассчитывают в такой последовательности: вйбирают вид топлива и определяют его теплоту сгорания; па реалции процесса юренин определяю! хеорешческии и действительный расходы кислорода и воздуха и массовый состав продуктов горения от сгорения 1 кг топлива; из уравнений теплового баланса и температуры нагрева продуктов сгорания с учетом их теплоемкости как функции температуры определяют теоретическую и действительную температуры горения топлива.
Удельную теплоту сгорания рабочего состава топлива (кДж/кг) для жидких и твердых видов топлива определяют по формуле Д. И. Менделеева:
Qp. н = 339 Ср + ЮЗО Нр + 109 (Sp - Ор) - 25 Wp,
где Ср — содержание углерода в рабочем составе топлива, %; Нр — содержание водорода в рабочем составе топлива, %; Sp — содержание серы в рабочем составе топлива, %; Ор — содержание кислорода в рабочем составе топлива, %; Wp — содержание влаги в рабочем составе топлива, %.
Топливом для работы топок сушильных барабанов и битумонагревательных котлов служит топочный мазут и газообразное топливо. Для работы форсунок автогудронаторов и автобитумовозов используют керосин, а для нагрева битума в битумохрани-лищах — дизельное топливо. Удельная теплота сгорания керосина и дизельного топлива составляет 43 ООО—42 ООО кДж/кг топлива. Реакция окисления углерода в общем виде определяется уравнением С + 02 = С02. В составе воздуха азот занимает 79 % объема, а кислород 21 %. Поскольку объемы молекул газа равны, то отношения N2 : 02 = 79 : 21 = 3,76, следовательно, с одной молекулой кислорода в зону горения вносится 3,76 молекул азота с молекулярной массой 28.
С учетом привнесенного азота уравнение окисления углерода будет иметь вид
С + 02 + 3,76N2 = С02 + 3,76N2
12С + 320а + 3,76-28N2 = 44С02 + 105,3N2.
Преобразовав это уравнение, определяют массу кислорода, необходимую для сгорания 1 кг углерода, и массу азота и углекислого газа (кг), получаемых в результате реакции горения:
С + 2,6702 + 8,8N2 = 3,67С02 + 8,8N2.
Доля углерода в составе 1 кг топлива равна Ср/100. Поэтому уравнение приводят к виду
■Шс+»Ж0’+8'8 -ет N* -3’76 w со>+8'8 ш N-
Реакция сгорания водорода и серы протекает аналогично:
2Н. + 02 = 2Н20; S + 08 = SOa.
После преобразований получают: при сгорании Н„/100 кг
водорода
wH.+8w°>+26’3mN> = 9wH-°+26-3w
при сгорании Sp/ЮО кг серы
ras + TO°>+3’28®N« = 2roso>+3’28®N’-
Из уравнений горения компонентов топлива определяем теоретический расход (кг) кислорода и воздуха для сгорания 1 кг топлива:
Ср    HD SD Ор
тт. о 2,67 100 _)_ 8 юо + 100
100 100 ’
Шт. в = 2,67 -joo" + 8 100 Too    100    100 — Too ■
Действительный расход воздуха тд.в (кг) для сжигания
1 кг топлива выше теоретического расхода воздуха:
4    в ~ /Пт. в ^»
где а — коэффициент избытка воздуха для полного сжигания топлива, для газообразного топлива а= 1,05-Н 1,10, для легкого жидкого (дизельного) топлива а = 1,1-г-1,2, для мазута при распыливании паром о = 1,3; для мазута при распиливании сжатым воздухом и короткофакельном сжигании топлива а— 1,05ч-1,10.
Состав и масса (кг) продуктов сгорания топлива: для углекислого газа
т1 = 3,67Ср/100; для водяного пара при распыливании топлива воздухом
2 ~ юо юо ’
для водяного пара при распыливании топлива паром
* -Q НР I WP ,Ш
174 ~ 9 Tw + loo + W*’
где 1Гф — расход пара на распыливание топлива, W$ = 0,4-н0,8 кг пара/кг топлива;
для азота
Hr» . ___SD __Оп \ N-
”* = (8’8 ш + 26-3 Т5Г + 3'28 Ш “ 3’28 ш) “ + для избыточного кислорода
100 ’
для сернистого газа S09 тъ — 2bp/lU0. Общая масса продуктов сгорания (кг) 2] т = mi + пц + т3 -(- т4 + ть. Важно соблюдение равенства = тд. в + 1, отклонение должно быть не более 0,030 кг. Средняя удельная теплоемкость продуктов сгорания [кДж/(кг°С)] сор = (niiCi + тгсг + mgс, + m4c4 + тБс,)/ £ т, где с1( с*, с,, с4, с* — удельная теплоемкость соответствующих газов, кДж/(кг-вС). Теплоемкость газов при постоянном давлении зависит от изменения температуры: для углекислого газа С02 Ci = 0,87253 + 0,000240615/ = Аг + Bxt\ для водяного пара Н20 с2 = 1,8334 + 0,0003118* = Аа + B2t\ для азота N2 с3 = 1,0241 4- 0,00008855/ = Л8 + B3t; для кислорода Оа с4 = 0,9182 4- 0,0001065/ = At + Btt; для сернистого газа S02 с6 = 0,6314 + 0,00015541/ = Аь 4- B6t. Вся теплота, внесенная в топку, разогревает продукты сгорания до теоретической температуры горения топлива /т. т (°С) в соответствии с тепловым балансом: Qp. и Qt Qx Qm +    4“ Ст/т 4-    /ЛС0р/т. т, где Qx — потери теплоты топкой в окружающее пространство, кДж/кг топлива, QT = 0,030Qp. н; Qx — потери от химической неполноты сгорания, кДж/кг топлива, при длиннофакельном сжигании топлива Qx = (0,02-ь0,03) Qp. н, при короткофакельном Qx = 0; QM — потери от механической неполноты сгорания, кДж/кг топлива, при длиннофакельном сжигании топлива QM = (0,03-г 0,05) Qp. н, при короткофакельном сжигании топлива QM = 0; св — удельная теплоемкость воздуха, tB = 20 °С; ст — удельная теплоемкость топлива (мазута), ст = 2,26 кДж/(кг-°С); tT — температура топлива, для мазута t7 = 90-i-95 °С; /ф — энтальпия пара, 1 ф = 2850 кДж/кг пара. Левая часть уравнения определяет количество теплоты, вносимое в топку с каждым килограммом топлива и обозначаемое через Qnp- Преобразовав это уравнение, получают уравнение теплового баланса процесса горения в функции теоретической температуры горения: Qnp — { 2 т tmi Mi 4“ BitT. т) -f- m2 (Аш 4- BstT. т) 4* 4- т3 (Аа 4- B3tT. т) 4- (А^ + 54/t. t) 4- ms (At 4“ я6/т. »}/2 m или Qnp = t\. T (miBi 4- m2B2 4- m353 4- mjii 4- mbBs) 4-4~ ^t. v (mi-^i 4~ nhAt 4* mtAa 4- tn^A^ -f- т5Л5). Обозначив через а выражение т1В1 + m2Ba -f msBs -f- т4В4 -(- + m5Bs, а через Ь выражение тгАг + т,Л, -f -f /и4Л4 + -+- тъАъ, имеем Т “{"    f ' Qnp ™ 0. Из решения полученного квадратного уравнения находят теоретическую температуру горения: *т.т = (—Ь ± Yb2 + 4aQnp)/2a. Действительная температура горения топлива равна температуре горячих газов /4, поступающих в сушильный барабан: ^д = « = ^,[1-а],    (3.10) где a—коэффициент теплоотдачи от факела лучеиспусканием, a =0,15. Тепловой расчет сушильного барабана выполняют с учетом требований процессов сушки и нагрева минеральных материалов до температуры 180—220 °С. Эффективная работа сушильных барабанов зависит от полноты сгорания топлива и хорошего соприкосновения минеральных материалов с теплоносителем. Сушильные барабаны работают по противоточному способу: горячие газы и высушиваемые материалы движутся навстречу один другому. При тепловом расчете барабана решают ряд задач: составляют материальный баланс; определяют необходимое количество теплоты, температуру горячих газов по длине барабана; часовой расход топлива, тепловой КП барабана и объем дымовых газов, а также основные параметры сушильного барабана. Материальный баланс сушильного барабана позволяет по заданной производительности асфальтосмесителя и виду смеси определить количество минерального материала, которое необходимо нагреть, и количество влаги, которую необходимо выпарить за 1 ч работы. Производительность сушильного барабана по сухому материалу (кг/ч): П = 1000-gs- 100 ~ Ум-п,    (3.11) где Яэ — эксплуатационная производительность смесителя по выпуску готовой асфальтобетонной смеси, т/ч; kB — коэффициент использования асфальтосмесительной установки по времени, kB — 0,85-f-0,9; q$ — расход битума, % от массы смеси; дМш п — расход минерального порошка, % от массы смеси. Значения qQ, <?м. п задаются видом смеси. При сушке песка и щебня относительную влажность coj по исходному материалу принимают равной 5 %. Количество влаги, которую необходимо удалить из минерального материала (кг/ч): 100 — й>! ’ где ша -- влажность материала после сушки, ш8 = 0. I зона jjl Jun--, Горячие газьГ тцеральиь'а материал------ -ТгоризонталЬ Ъ/    £%    ij Рис. 3.5. Схемы процесса сушки материала и определения расхода теплота по зонам в сушильном барабане: / — зона подогрева материала; II — зона сушки материала; III — эоиа нагрева высу-шейного материала; t, == 20°; /, => 95"; t, “ 180® 200° Количество влажного материала (кг/ч), поступающего в сушильный барабан: яв.м = я + яв = яМ±а. Расчет процесса сушки и нагрева материала в сушильном барабане осуществляют исходя из предположения, что процесс сушки и нагрева минеральных материалов протекает в три стадии: подогрев материалов и влаги, сушка материала (испарение влаги), нагрев высушенного материала до рабочей температуры. Сушильный барабан разбивают на три зоны: зона / — подогрев материала и влаги; зона II — сушка материала; зона III — нагрев высушенного материала (рис. 3.5). Расход теплоты в зоне I Qi=Qi + QI = смП (h - *.) + свЯ„ (t* - U), где Q{ — расход теплоты на подогрев материала за 1 ч работы, кДж/ч; Qj — расход теплоты на подогрев влаги в материале, кДж/ч; см — удельная теплоемкость материала, ем = 0,837 кДж/(кг-°С); П — производительность по сухому материалу, кг/ч; св — удельная теплоемкость воды, св = 4,1858 кДж/(кг-°С); tx — температура поступающих материалов, tx ~ 10 °С; ta — температура интенсивного испарения влаги, <8 -= 95 °С. Расход теплоты в зоне II Qn = Qи -f- Qn = Явг + с„Яв (/д. г — /г), где Qj, — расход теплоты на выпаривание влаги из материала, кДж/ч; — расход теплоты на подогрев паров до температуры дымовых газов, кДж/ч;г — теплота фазового перехода (парообразования), г ~ 2269 кДж/кг; сп — удельная теплоемкость пара, сп= 1,926 кДж/(кг-°С); /д. г — температура дымовых газов на выходе из сушильного барабана, принимаем /д. г = 150-ь200 °С. Расход теплоты в зоне III Qm = сиП (4 — 4)' Общее количество теплоты (кДж/ч), полезно используемой в барабане: Qbqjj “ Qi + Qn + Qiii- Для определения потерь теплоты стенками барабана необходимо опоелелить ооиентиоовочные паоаметпы бапабана Объем барабана (м3) V6 = njmv,    (3.12) где ту — коэффициент влагонапряжения — количество влаги, удаляемое из 1 м3 объема барабана за 1 ч; ту = 125, 175, 250 кг/(м®*ч). Задавшись диаметром барабана Dв, определяют его длину (м): L0 = Аор tg aznt = 0,8De tg aznt,    (3.13) где Aop — средняя высота подъема материала полками барабана, м, Аср = 0,8Од; ос — угол наклона барабана к горизонту, а = 3-т-6°; г — число подъемов и сбрасываний материала полками за один оборот сушильного барабана, г = 1,75-4-2,5; п — частота вращения барабана, об/мин; t — время сушки материала в барабане, t = 2-5-4 мин. Предварительные расчеты выполняют на основании приближенных значений диаметра и частоты вращения барабанов в зависимости от производительности: П, т/ч.......... 25 50    100    200 400 £>б, м.......... 1,10 1,4 1,7—1,8 2,4—2,5 2,8 п, об/мин ........ 16    12    10    8—9 7—8 Диаметр барабана (м) уточняют по формуле D6 = /41/б/я1б.    (3.14) При большой разнице и £>в задаются новым значением диаметра барабана и повторяют расчет. Потеря теплоты (кДж) стенками барабана в окружающее пространство Qiv = 3600nD6L(5 (tg — tB) а, где (а — средняя температура стенок барабана, tg — 250 °С; (в — средняя температура воздуха, /в = 20 °С; а — коэффициент теплопередачи стенками барабана в окружающее пространство, kBt/(ms-°Q. Коэффициент теплопередачи 9,211 (I, - «*'< + 16.747 [    - (Jifer1)*] а~    3600(/б —<В) Общий расход теплоты в барабане (кДж/ч) Qo = Qnon + Qiv- Температуру горячих газов (з, /г и /Д.Г определяют по зонам сушильного барабана. При прохождении по сушильному барабану и охлаждении на 1 °С количество теплоты (кДж/°С) продуктов изменяется на Яо = Qo/(t 4 ^д. р). где <4 — температура горячих газов, поступающих в сушильный барабан; /д. г — температура дымовых газов, которой предварительно задаются, tn, г = 200 °С. В зоне III расходуется теплота Qni, теряется наибольшая ЦЯРТЬ ТРПЯПТЫ О тчг- И пбтттяо Tf=k^npnQ'FJV'T>^ rnnOTiriv г«оогчт» ттг.гттт v    ^    i ‘ J i " I    “ * жается на Af* (Qiii + Qiv)/?o* Следовательно, /з = /4 — А/з. Определение температуры продуктов сгорания в начале зоны интенсивного испарения влаги из материала осуществляют по уравнению теплового баланса за весь период испарения (зона II): Яо «з — t'a) = Qn + спПв (tZ — ti). Решая уравнение относительно й, получают ?о*з + crP*h ~ Си 12    9Г+*пПв Материал и влага в зоне / нагреваются как продуктами сгорания, так и парами воды, уносимыми из второй зоны с температурой t'i, и уравнение теплового баланса для зоны имеет вид: <7о (*2 — <д. г) + свПв (fa — f д. г) = Qi-Из уравнения определяют 4 Vs + СпПв12 * ^1 l*r oT+cJTa • Часовой расход топлива определяют при условии, что прохождение по сушильному барабану 1 кг продуктов сгорания и охлаждение от & до /Д.Р приводят к передаче материалу следующего количества теплоты (кДж/кг): ?yt = ?1 ?2 = Сср1^4 Сср2^д. Г1 где 9i — количество теплоты, выделяющейся в процессе сгорания 1 кг продуктов при температуре t'K, кДж/кг; qt — количество теплоты, выделяющейся в процессе сгорания I кг продуктов при <д. г, кДж/кг; сср1 — средняя удельная теплоемкость продуктов сгорания при t'A, кДж/(кг-°С); ccpt — средняя удельная теплоемкость продуктов сгорания при <д. г, кДж/(кг-%). Среднюю удельную теплоемкость сср1 и ссра определяют по формуле, рассмотренной выше. Продукты сгорания топлива 1 кг топлива приносят в сушильный барабан следующее количество теплоты (кДж/кг топлива): QyT = ?ут 2«+ Qp. Я®Чт>    (3.15) где цт — КПД топки, Т)т = 0,97. Часовой расход топлива (кг/ч) т, = Q6/Q7T.    (3.16) Удельный расход топлива а кг на 1 т высушиваемого материала ?Т7 Я. К 1 Ц v** "*лпттт-ms*/т матрпряпр    JJ _ rynow^B'V дительность барабана по сухому материалу, т). Потери теплоты с дымовыми газами (кДж/ч) <2Д. Р “ [2 тсср2 (^Д. Р ^в) + (-^1 ~ ^*)]> (3.17) где /j — энтальпия 1 кг пара при температуре дымовых газов, /j == 2850 кДж/кг пара; /* — энтальпия 1 кг воды, /( = 84 кДж/кг Тепловой КПД сушильного барабана определяют на основании теплового баланса барабана, который включает определение полезных затрат теплоты по зонам, потерь и общего расхода теплоты. Общий расход Qp.„ mT принимают за 100 %. Расход теплоты в первой зоне (%) Яг =    ЮО; во второй зоне ($ в третьей зоне (%) потери теплоты в топке дт — 3 %; стенками барабана (%) ?iv = о ~ ЮО. Чр. нят Потери от химической неполноты сгорания q% (%) и механической неполноты сгорания qM (%) при распыливании топлива паром имеют следующие значения: 9* = 2-i-3 %, qM ~ З-г-5 %; при распыливании воздухом и короткофакельном сжигании топлива = i/м « 0. Общий расход теплоты (%) 2 Я — Яг + Ягг + Яги + ЯгУ + Ял- г + Ян + Ям + 9т* Неучтенные потери теплоты (%) Яп ==100-2 Я- Тепловой КПД сушильного барабана Лт. о — Яг + Ян + Яггг• Определение основных размеров сушильного барабана. Минеральные материалы сушатся при ссыпании их с подъемно-сбра-сывающих лопастей барабанов. Горячие газы проходят через поток падающих материалов, обдувают зерна материала и передают им свою теплоту. Чем больше скорость движения горячих газов, тем быстрее передается теплота материалу и повышается производительность сушильного барабана. Следствием этого является вынос большого количества пн пи г дымовыми гачами Диаметр сушильного барабана Da определяют из условия выхода газов из сушильного барабана со скоростью о„.г по формуле (м) где Уд.Г1 — объем дымовых газов на выходе из сушильного барабана, м3/ч; Р — коэффициент заполнения барабана материалом, {5 = 0,1 -5-0,3, наиболее часто Р = 0,1-=-0,15; для малых барабанов «д. Г1 — 1-5-3 м/с; для больших барабанов Од, J.J 3-5-6 м/с.
(3.18)
Объем горячих газов (м8/ч), проходящих по барабану и передающих теплоту материалу, зависит от температуры газа в соответствующей зоне: для зоны I для зоны 11
для зоны III
еде Pi) Р*. Р*- Р» теадтнейь газоя, кг/ма, для углекислого газа pi = =* J.W? дан®, дда вэдядагв аа-ра щ ** 0,805 кг/й3, для азота ря = 1,251 кг/м8, для тякяи?рода ■*= 1,429 кг/й®, для еер»истаг» газа рь = 2,926 кг/м®, для воздухе (сиееь газов) рг =* 1,293 дам*.
Объем и Длину барабана определяют по объему материала в каждой зоне барабана. Для этого для каждой зоны находят среднюю разность температур между теплоносителем и материалом (средний температурный напор), объемный коэффициент теплопередачи и скорость газов в конец каждой зоны. Тогда объем (м*) нагреваемого материала в зоне в общем виде VM.3 = Qa/(3600flV8AQ, где Qa — действительный расход теплоты по зонам сушильного барабана с учетом температур горячих тазов в каждой зоне, кДж; аУз — объемный коэффициент теплопередачи, кВт/(ма-°С); Д/3 — температурный напор в зоне, °С. Действительный расход теплоты (кДж) для зоны I Qm — Qi + Qii — СцПв (t'i — /д. г); для зоны II Qeii = Qii + саП в (t'i — ti)\ Qn in = Qiii- Объемный коэффициент теплопередачи 1кВт/(м8-°С) ] Г\ -г 1 А Г U у g — \J,i |    Г. з, где Од, г., — скорость газов в конце каждой зовы, м/с. Скорость газов для зоны / Уд.п = 4Уд.г 1/[3600я£>б(1 — Р)]; для зоны II Уг.г И = 4Vr.r И/[3600nDl (1 - Р)]; для зоны III Vr.rin — 4Vr.rin/[3600nZ)§(l — Р)]. Температурный напор между теплоносителем и материалом на границах зон: для зоны / /д.г — 4 и ^ — 4. для зоны II    t'i — 4 и й — 4> для зоны III й — /] и /4 — 4- Если отношение температурных напоров на границе зоны меньше двух, то средний температурный напор зоны определяют как среднеарифметическое значение на границах зоны больше двух, средний перепад температур определяют как среднелогарифмическое значение разностей температур на границах зоны; например, для зоны / при [(Й — 4)/(/д.г — 4)1 <2 Д*1 = [(й-*2) + (*д.г-4)]/2; ДЛЯ ЗОНЫ II при [(Й — 4)/(Й — 4)1 >2 Л/ (<»-<«)- (3-4) 2.3 ig [(/;-/,)/«-«Г Если [(Й — 4)/(й — 4)1 < 2, то средний температурный напор определяют как среднеарифметический. Также определяют температурный напор для зоны III в зависимости от перепадов й — 4 и й — 4; эт0 отношение для зоны III меньше двух: Д*ш = [(Й-Й) + (Й-Й)]/2. Условный объем (м8) минерального материала по зонам для зоны I Vm = [Qi - с„П, (й - /*.r)I/(3600flVIA/i); для зоны II Vull = [Qii -f спПв (й — й)]/(3600а^цД^п); для зоны III ш — Qm/(3600av щД^ш)* Суммарный объем материала (м3) 5] Fm = VM i + Vu и + VK ml    (3.19) объем барабана (м3) Ve= £ Vm/P;    (3.20) и - IVJixDl). В действующих сушильных барабанах L6/D6 = 3,5-т-4,5. \ “ /
Тепловой расчет топок сушильных барабанов асфальтосмеси-телей, автогудронаторов, топок битумохранилищ и битумонагревательных котлов включает в себя определение поперечного сечения топки из условия пропуска с необходимой скоростью воздуха, нужного на горение топлива; объема топочного пространства по удельному тепловому напряжению топочного пространства; объема топки и ее длины по объему топочного пространства, а также потерь теплоты топкой в окружающее пространство. Диаметр (м) топки определяют исходя из условия пропуска воздуха через поперечное сечение топки с определенной скоростью: D• - /тяиЬг-    <3-22> где VB — объем воздуха, пропускаемого за 1 ч через топку, м®, VB = = тд. втТ/рв (тд. в — действительный массовый расход воздуха на сжигание 1 кг топлива, кг/кг топлива; тт — часовой расход топлива, кг; рв — плотность воздуха, р„ = 1,293 кг/м®); t>B— скорость движения воздуха через поперечное сечение топки, м/с. Движение воздуха под действием тяги вытяжного вентилятора при отсутствии устройств для принудительного смешивания воздуха с распыленным факелом топлива происходит со скоростью 2—3 м/с. При воздушном распыливании и интенсификации смешивания воздуха с распыленным факелом топлива скорость воздуха принимают до 5 м/с. Объем (м3) топочного пространства или объем зоны горения топлива V т.п = Фр.н^т/^т.п»    (3.23) гДе Чт.а — удельное тепловое напряжение топочного пространства, кДж/(м®- ч). Удельное тепловое напряжение топочного пространства зависит от типов топок: для топок автогудронатора <7Т.„ = (З-г-5) х хЮ9 кДж/(м3-ч); для топок битумонагревательных котлов и битумохранилищ qT. „ = (5-—10) 10® кДж/(м3-ч); для топок сушильных барабанов асфальтосмесительных установок qT п = = (20-г60) Ю« кДж/(ма-ч). Для авто гудронаторов, битумохранилищ и битумонагревательных котлов объем топок равен объему топочного пространства. Для топок сушильных барабанов характерны высокая интенсивность процесса горения и дожигание топлива непосредственно в сушильном барабане; объем топки (м8) Ve-(0,5 + 0,8)VfJI.    (3.24) *    # * * / r>Ov    fry r»C\ — 1Г T/^WA>Tj* В современных топках сушильных барабанов отношение длины топки к ее диаметру равно 1,0—0,6. Потери теплоты (к ж) стенками топки в окружающее пространство Qn.T = 3600ат5х (^т.д — ^кож) > где ат — коэффициент теплопередачи стенками топки, кВг/(м2-°С); ST — площадь поверхности кожуха топки; tK0H< — температура кожуха. Коэффициент теплопередачи т l/ai + ^слАсл + ^асбАасб ~Ь ^кожАкож + 1/(аи ~h ал) ’ где а, — коэффициент теплоотдачи от газов к огнеупорной футеровке, кВт/(м*-°С), aj = 0,01-г-0,11 кВт/(ма-°С); /сл— толщина огнеупорного слоя, м, 1Сл — 0,12 м; Я.сл — коэффициент теплопроводности огнеупорного слоя, Ясл = = 0,0014-0,0014 кВт/(м-°С); 1аСб — толщина асбестового слоя, м, !еСб — 0,003 м; Х,аСб — коэффициент теплопроводности асбестового слоя, ^-асб — 0,00015-f-0,0002 кВт/(м-°С); /Кож — толщина наружного кожуха, м, /НОж = 0,005 м; Хкож — коэффициент теплопроводности стального кожуха, Хк0,к = 0,046-г-0,058 кВт/(м-°С); ан — коэффициент теплоотдачи от металлического кожуха воздуху конвекцией; ак = 0,0042V“,805/DJ’j,85 при конвективной скорости потока воздуха ив = 0,1 м/с; ал — коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием, кВт/(м*-°С), . / ^кож 4- 273\* / <в-|-273) 100 ) V 100 } Л    ^ВОЖ — (сх—коэффициент теплоотдачи, = 0,0046 кВт/(м2-°С); <КОж— температура поверхности кожуха топки, tKOM = 400-h600 °С; ta — температура воздуха, tB = 20 °С). Площадь (м2) поверхности кожуха топки 5» = (яОкож/4) + лОкож^т,    (3.26) где Ско>и — диаметр кожуха топки, м, DKож = Dr+ 2/сл. Эффективная работа автогудронатора требует в течение нескольких часов поддерживать рабочую температуру битума в цистерне, а при необходимости и подогревать битум до рабочей температуры. Тепловой расчет автогудронатора включает расчет толщины теплоизоляции и отопительной системы, обеспечивающей нагрев битума в цистерне до заданной температуры за определенное время. Расчет теплоизоляции цистерны предусматривает определение толщины слоя изоляции по количеству теплоты, выделяемой битумом при его остывании за 1 ч не более чем на 10 °С; количеству теплоты, которое может быть передано в окружающую среду через наружную поверхность цистерны при заданных условиях. При- Рис. 3.6. Схема передачи теплоты: а — через плоскую трехслойную стенку; 6 — через криволинейную трехслойную стенку равняв количество теплоты, теряемое битумом, и количество теплоты, проходящее через стенку цистерны, определяют толщину слоя изоляции. Количество теплоты (кДж), выделяемое при остывании битума за 1 ч: Qa = тбсй (ti — h), где та — масса битума, кг; с<j — удельная теплоемкость битума, кДж/(кг-°С); tx— начальная температура битума, <j ■= 180 °С; i% — температура битума через 1 ч транспортирования, tt — 170—175 °С. Количество теплоты (кДж), теряемое битумом через внешнюю поверхность в окружающее пространство: Qt = 3600aS„(*6 - tB), где а — коэффициент теплопередачи, кВт/(м®-°С); SK — площадь поверхности цистерны, м1; t§ — средняя температура битума, °С; tg ~ (tx +- U)!2\ !в — температура наружного воздуха, °С, tB = 10 С. Площадь (м2) поверхности эллиптической цистерны S„ — 2ST -j- So, / где Sr — площадь эллиптических торцов цистерны, м*. ST — nab; Sо — боковая площадь цистерны, м\ Sg — JiL„ J/^2 (о* + Ьг) — — - (1ц — длина цистерны, м; а и Ь — полуоси эллипса торцовых днищ, м). Коэффициент теплопередачи через трехслойную стенку от горячего битума воздуха (рис. 3.6) 1/а 1 + <iAi + /*Л* + + 1/®» ’ где ах — коэффициент теплопередачи от битума к металлической стенке цистерны, а1 = 0,097 кВт/(м*-°С); 1г — толщина стенки цистерны, 1Х — 0,004 м; — коэффициент теплопроводности стали, = 0,046ч-0,058 кВт/(м-°С); /2 — толщина слоя теплоизоляции, м (неизвестна); Х2 — коэффициент теплопроводности теплоизоляции, для асбеста = 0,00015-г-0,0002 кВт/(м-°С), для стекловаты Xj = == 0,000044 кВт/(м-°С), lt —- толщина стенки кожуха, I, — 0,001 м; ^ — тепло- Рис. 3.7. Схема отопительной системы с жаровыми трубами: / — жаровая труба; 2 — стационарная горелка; 3 — вентиль стационарной горелкн; 4 — распределительный вентиль; 5 — переносная горелка; 6 — вентиль переносной горелки; 7 — шланг переносной горелки; 8 — баллон переносной горелкн; 9 — вентиль воздухопровода; 10 — тонкий вентиль; II — топливный бак проводность стали; а. — коэффициент теплоотдачи от кожуха цистерны наружному воздуху, кВт/(м*-°С); а,=0,0042о°г’805/£*<ь196 (иг — скорость движения гудронатора, м/с; Dcр — средний диаметр цистерны, м). Для условий стоянки автогудронатора в безветренную погоду вместо скорости vr принимают скорость конвективного движения воздуха вокруг цистерны ин = 0,5 м/с. Приравняв правые части уравнений для Q0 и QT и решая их относительно /а, получают толщину теплоизоляции: 3600S„ (<б — <,) 1 "Wo (h — <*) (3.27)
Отопительная система (рис. 3.7) автогудронаторов, битумовозов и нагревателей битума состоит из двух жаровых труб, горелок, топливного бака, топливопроводов и системы подачи топлива. Система предназначена для нагрева битума до 160 °С и поддержания его рабочей температуры. Расчет отопительной системы включает в себя определение количества теплоты, необходимой для подогрева битума за конкретное время; теплоты сгорания и часового расхода топлива; количества теплоты, передаваемой- от горячих газов к битуму через жаровые трубы. Приравнивая количество теплоты, необходимой для нагрева битума, и количество теплоты, проходящей через стенку жаровой трубы, определяют площадь жаровых труб. При известной длине жаровых труб, их форме и площади находят диаметр жаровых труб. Расчет ведут исходя из того, что температура в цистерне гудронатора должна повыситься со 120 до 180 °С за 0,5 ч при вместимости цистерны до 10 000 л или за 1 ч при вместимости Рис. 3.8. Схема основных этапов нагрева битума в битумохранилище: i - ОСНОВНОЙ OTt-CK, i отсек; 3 — жаровые трубы битумонагревательного агрегата; 4 — битумонагревательный агрегат; 5 — зиеевики нагрева битума в дополнительном отсеке; в — змеевики нагрева битума в основном отсеке; t, = 10°; U = 50+60°; t, — 80+95°; h = 140+160° «Н'/С=====^
цистерны более 10 000 л. Количество теплоты (кДж), необходимой для нагрева битума за 0,5 ч: Qn тбСб (^2 tl)'    I • Количество теплоты, вырабатываемое отопительной системой за 1 ч при тб < 10 000 кг Q0. с = 2Qn; при тб ^ 10 000 кг Qo. о — Qn- Расход топлива отопительной системой автогудронатора, кг/ч: Qt.o.c — Qo.c/Qj где Q„0JI — количество полезной теплоты от сжигания 1 кг топлива, кДж/кг. Количество полезной теплоты зависит от теплоты сгорания топлива и суммы потерь тепла. Теплоту сгорания Qp. „ (кДж) легкого жидкого топлива принимают по таблицам. Потери теплоты при работе форсунок составляют: от химической неполноты сгорания qx = 2-т-З %; от механической неполноты сгорания qM ~ 5 потери форсункой в открытое пространство qn = = б-г-8 %; потери с дымовыми газами qn_ г = 15ч-20 %. Общие потери теплоты (%) £ Яп = Ях + <7м + 9л + Ял.г-Полезная теплота (кДж) от сжигания 1 кг топлива Расход топлива при огневом нагреве битума в битумохранилище и битумонагревательном котле определяют аналогично. Жаровые трубы автогудронаторов имеют U-образную форму. Длину каждой ветви жаровых труб принимают равной 0,8 длины цистерны. Общая длина жаровых труб (м) где г — число жаровых труб, г = 2. Диаметр жаровых труб автогудронатора £>ж. т = 0,12-f-0,15 м. Тепловой расчет битумохранилища включает в себя определение площади поверхности нагревателей, необходимой для нагрева битума за 1 ч, количества теплоты, необходимой для нагрева битума от начальной температуры tx до температуры (3, 4 П/р В И Баловнева    97 и часовые потери теплоты из битумохранилища. Одновременно T>nX„p?,irrr vnurTpwnuin типя нагревателя и вип теплоносителя, определяют площадь и размеры нагревателя и расход энергии (рис. 3.8). Битум представляет собой аморфное вещество с плавным изменением вязкости от твердого состояния при ^ = 5 °С до жидкотекучего при /4 = 160 °С. Количество полезной теплоты (кДж), расходуемой на нагрев битума, равно сумме расходов теплоты для нагрева битума до температуры пластического течения 4 = 50-Г-60 °С в основном отсеке Q01 и для нагрева до температуры перекачивания ta = 80-М00 °С в дополнительном отсеке (Qm): Quo л — Qoi ~Ь Сд1 ~ П [(сб -)- СвС0) (^2 — ^l) + (сб + Свш) (/$ — /*)], где П — производительность битумонагревательной системы, кг/ч; eg — удельная теплоемкость битума, кДж/(кг-°С); св — удельная теплоемкость воды, св = = 4,1868 кДж/(кг-°С); со — относительное содержание воды в битуме; tx — температура битума в основном отсеке в начале нагрева, = 5 °С. Теплоемкость битума в зависимости от температуры имеет следующие значения: гб. °С .... 1—20 30—60 60—100 100—150 150—180 се, кДж/(кг-°С) 1,1—1,25 1,25—1,45 1,45—1,65 1,65—1,85 1,85—2,2 Производительность нагревательной системы битумохранилища определяется часовой потребностью в битуме для работы асфальтосмесительных установок и автогудронаторов с запасом на 25 %. Потери теплоты происходят при нагреве битума в основном и дополнительном отсеках битумохранилища: из дополнительного отсека в основной отсек, из дополнительного и основного отсеков в соседние отсеки; через наружные стенки и днище в почву и зеркалом битума в воздух. Потеря теплоты (кДж) из дополнительного отсека в основной является частично восполнимой потерей: Qfl. г = 720a1Sn (/3 — /х), где ах — коэффициент теплопередачи из дополнительного отсека в основной через перегородку, кВт/(м*-°С); Sn — площадь перегородки между дополнительным и основными отсеками, м*. Коэффициент теплопередачи 1 1/«1 + ^отАот 4- 1/и* ’ где ах и а„ — коэффициенты теплоотдачи от битума к материалу перегородки и обратно, «j = аг = 0,097 кВт/(м2-°С); /ст — толщина перегородки (кирпич, бетон), /ст = 0,2 м; А,ст — коэффициент теплопроводности перегородки, Хст = = 0,00075 кВт/(м*-°С). Sn — lh6, где I — длина отсека; Ас — глубина битумного резервуара, м. Глубина Лб зависит от количества битума в отсеке битумохранилища. Максимальная глубина битумного резервуара не превышает 3 м. Потеря теплоты (кДж/ч) в соседние отсеки Q3 равна сумме потерь из основного отсека Qo3 и дополнительного отсека QK3: Qa = Q03 4" Qn3 = 3600ах [ J] S^0 (t2 — -f 5] 5б.д (t3 — где J] So. о — суммарная площадь боковых перегородок основного отсека, м*, с учетом уровня битума площадь одной перегородки Sc.0 = V*с (60 — ширина основного отсека, м); 2^б.д — суммарная площадь боковых перегородок дополнительного отсека, м2, с учетом уровня битума площадь одной перегородки Sn. и =    (6Д — ширина дополнительного отсека, м). Потеря теплоты через наружные стенки и днище в почву Q4 равна сумме потерь из основного отсека Qo4 и дополнительного отсека фд4: Qd = Qo4 + <3д4 = 3600 [(][] 5C.0 -f- 2 5д.0) o2 (/2 — ti) + + (£ д + 5д,д) a3 (ta — ^)], где 2 ^б. о. 2 Sfl. 0 — суммарные площади контакта с грунтом боковых стенок и днища основного отсека, мг; 2 ^б. д, 2 5Д.Д — суммарные площади контакта с грунтом боковых стенок и днища дополнительного отсека, ма; а2 — коэффициент теплопередачи из основного отсека в почву, кВт/(м2-°С); а» — коэффициент теплопередачи из дополнительного отсека в почву, кВт/(м*- С). Коэффициенты теплопередачи в почву 2’ 3 1/а1 + ^стАст “Ь ^изАиз + ^пАп ’ где 1т — толщина пористой изоляционной засыпки (шлак) между стенкой битумохранилища и грунтом, 1ИЗ — 0,3 м; Яиз — коэффициент теплопроводности засыпки, А.из = 0,0014 кВт/(м-°С); /п — длина теплового потока в почве при установившемся режиме, м; Х.п — коэффициент теплопроводности почвы, Л,„ = = 0,0023 кВт/(м-°С). Длина теплового потока в грунте зависит от температуры битума в отсеках. При определении а2 длина теплового потока 1а — 6 м, при определений а3 — /п = 10 м. Потери теплоты (кДж/ч) зеркалом битума в воздух Qb равны сумме потерь из основного отсека Qo5 и дополнительного отсека *3дб: Qb = Qoe 4~ Qn5 — З600а3(?р [(fs — tв) 50 -f- (t3 — tB) 5д], где азер — коэффициент теплоотдачи от зеркала битума в воздух, ааер = = 0,00015 кВт/(м2-°С); tB — температура воздуха в битумохранилище, tB = = 20 °С; S0 — площадь зеркала битума основного отсека, ма; Sn — площадь зеркала битума дополнительного отсека, м2. Суммарные потери теплоты (кДж/ч) £ QnoT — Qn.г + Qe + Q4 + Q»* Общее количество теплоты (кДж/ч), необходимое для работы битумохранилища: Qo6ib = Фпол ~Ь £ QnoT- Общее количество теплоты, расходуемое в основном отсеке: Qo6m. о — Qol + QoS + Qoi + Qo5- Общее количество теплоты, расходуемое в дополнительном отсеке: Фобщ.д = Фд1 + Сд2 + Qr3 + <3д4 + Фд5- Расчет площади поверхности нагревателей. При нагреве теплоноситель направляется сначала в змеевики системы обогрева дополнительного отсека, а затем в змеевики основного отсека (см. рис. 3.8). При паровом нагреве площадь (м2) нагрева змеевиков дополнительного отсека £ _ _Qобщ, д_ ЗбООах (‘п-»~    ’ где аг — коэффициент теплопередачи змеевиков (стальная труба), кВт/(ма-°С), определяемый по формуле для аи в которой at = 11,1 кВт/(м*-°С) при паровом теплоносителе, /ст = 0,005 м, Хст = 0,046 кВт/(м-°С), а2 = 0,097 кВт/(м2-°С); f„. с — температура пара на входе в змеевик, /п. в = 160-И70°С при р = = 0,6ч-0,8 МПа; /0. н — температура пара на выходе из змеевиков дополнительного отсека; /п. н= 120 °С при р — 0,2 МПа. По диаметру трубопроводов змеевика парового обогрева dB = = 50,8-т-76,2 мм определяют длину змеевиков /3. Площадь нагрева змеевиков в основном отсеке (м2) о__Qn6m. о_ й-° 3600+ где — коэффициент теплопередачи змеевиков, кВт/(м!-°С), определяемый' по формуле для а,, в которой at = 11,1 кВт/(м2-°С), /ст = 0,005 м, Хст — = 0,046 кВт/(м-С), се* = 0,053 кВт/(м*-°С); tK — температура конденсата, tK = = 85-f-95 °С. При масляном обогреве принимают: ах = 0,12 кВт/(м2-°С); 4. в = 270 °С; = 150 °С; tK = 60 °С. При огневом нагреве битума в основном отсеке битумохранилища дополнительный отсек не используют. Общий нагрев битума до температуры текучести t2 = 60 °С производится одновременно с использованием парового или масляного обогрева, а для местного разогрева битума до температуры перекачивания t3 используют огневой способ. о _ ^ОбШ.Д Ig lUr.T — ЫА*Д.Г — *8)1 °ж-* 1565аж.т [(<„ - <з) - <<Д.Г - <з)1 ’ где fr. т—температура горения топлива, <г. т = 1300ч-1400 °С; tn_ г — температуры дымовых газов, Л. г = 300ч-400 °С; а)К. т — коэффициент теплопередачи жаровой трубы, кВт/(ма- С), определяемый по формуле для alt в которой ах = = 0,02-f-0,067 кВт/(ма-°С), /от = 0,005-5-0,006 м, Х,ст = 0,046 кВт/(м-°С), о, = --= 0,097 кВт/(ма-°С). Диаметр жаровой трубы Dm. т = 0,5-^0,6 м. Определение расхода теплоносителя. При паровом нагреве необходимое количество пара (кг/ч) QQoOn. о + QoBffl. д п - -/ _ /    » где 1г — энтальпия 1 кг пара при рабочем давлении 0,8—1,2 МПа, кДж/кг, принимается по данным таблиц состояния пара или диаграмм; /2 — энтальпия отработанного пара, /а = 500 ч-600 кДж/кг. При масляном нагреве часовой расход масла (кг/ч) О = ФобЩ- о Qoбщ. Д М    СМ (^М.В — *м.н) ’ где см — удельная теплоемкость масла, см = l,8-f-2,l кДж/(кг-°С); tM_ в — температура масла на входе в змеевики битумохранилища, <м. в = 250ч-270 °С; /м. н — температура масла на выходе из змеевиков битумохранилища, tM „ = = 160-И80°С. Подачу масляного насоса подбирают по часовому расходу масла Пм с запасом 10—20 %. По подаче насоса определяют проходные сечения маслопроводов и змеевиков. Битумонагреватель используют для обезвоживания битума и нагрева его до рабочей температуры = 160-М80 °С. Полезная теплота (кДж/ч) в битумонагревателе, работающем при атмосферном давлении: Qh. о ~ Qi Qii = П(иг -f- /7сб (/4 — ts), где г — удельная теплота парообразования, г = 2269 кДж/кг. В битумонагревателе закрытого типа при нагреве битума паробитумная смесь нагревается до рабочей температуры 160 °С, а давление в системе возрастает до 0,05—0,6 МПа. Количество полезной теплоты в закрытом битумонагревателе Qh.s = Qi + Qii + Qm = Паг -{- Ясб (tt — <3) -f- Псп (ii — tf3) со, где сп — удельная теплоемкость пара, сп = 1,926 кДж/(кг-°С). С учетом потерь теплоты стенками битумонагревателя общий расход теплоты при предварительных расчетах Qo6m. н ~ 1 »2Qh&4> где QHa4 — полезная теплота нагревателя (закрытого или открытого типа), кДж/ч. Пл'птттчпгь ппяепхногти жаровых труб битумонагревателей определяют по формуле, рассмотренной выше при условии нагрева обезвоженного битума. При нагреве обводненного битума производительность снижается вследствие низкой скорости удаления паров воды из вязкого битума, имеющего температуру 110— 120 °С. Скорость удаления паров воды, отнесенная к площади жаровой трубы, составляет 8—12 кг/м2 при обезвоживании нефтяных дорожных битумов и 4—6 кг/м2 при обезвоживании модифицированных (улучшенных) полимерными материалами нефтяных дорожных битумов. Тепловой расчет битумопроводов включает в себя расчет потерь теплоты в битумопроводе. Это необходимо для определения общего расхода теплоты и выбора теплогенератора (парового котла, нагревателя масла). Расчет передачи теплоты через плоские трехслойные перегородки приведен выше. Коэффициент теплопередачи определяют аналогично рассмотренному ранее. Изменение температуры слоев перегородки в этом случае имеет линейный характер. При расчете потерь теплоты стенками цистерны автогудронатора ее поверхность принимают за плоскую, поскольку площади поверхности цистерны и кожуха мало различаются. Однако при увеличении кривизны теплопередающей поверхности разница между площадью обогревающей рубашки битумопровода и площадью кожуха теплоизоляции возрастает. Изменение температуры по толщине стенки имеет криволинейный характер. При малой толщине стенки обогревающей рубашки принимают температуру t% постоянной по толщине и равной температуре теплоносителя, а количество теплоты (кДж), теряемое через слой теплоизоляции битумопровода: ^    3600-2nL (/‘2 — Хиз ЧбпР = 2,3 lg (Д/г) ’ где L — длина битумопровода, м; t2 — температура стенки обогревающей рубашки, °С; — температура кожуха, °С; Хяз — коэффициент теплопроводности, кВт/(м-°С); R — наружный радиус теплоизоляции, м; г — внутренний радиус теплоизоляции, м. Тепловой расчет оборудования для разогрева асфальтобетонных покрытий. При проектировании машин для разогрева асфальтобетонных покрытий и просушивания поверхностей основной задачей является тепловой расчет оборудования для разогрева с целью определения расхода топлива (газа), времени нагрева т, плотности теплового потока q, скорости движения разогрева-теля ум. Расход газа за I ч работы блока горелок (м3/ч) определяют исходя из предельной тепловой нагрузки горелок и плотности теплового потока газа. Число газовых баллонов определяют исходя из числа одновременно работающих горелок zr и времени т работы без перезарядки. Количество газа в баллоне (кг) Ql = ^бРж. г> где Vg — вместимость баллона, для пятидесятилитровых баллонов принимаем "и '.Z л,    "Kvnjncn ожч'крнного гача. 0*^ - = 0,5 кг/л. Вместимость (м3) каждого баллона по газообразной фазе V, = fc/pr, где рг — плотность паров газа, рг = 2,2 кг/м*. Если вместимость баллонов V* = У,*гб, то время непрерывной работы горелок т = VzJqr, где 7Г — расход газа за 1 ч работы блока горелок, м*/ч. Температура поверхности tn при постоянстве теплового потока изменяется по закону tn = *о + Ь-/т, где — начальная температура асфальтобетона, принимаемая по глубине постоянной; b — параметр; г — время нагрева, ч. Время нагрева асфальтобетона на глубину h до конечной температуры t: т — Fo Л2/а, где Fo — критерий гомохронности Фурье для соответствующей глубины; а — коэффициент температуропроводности, м2/ч, а — 3600 Л,/(ср) (А, — коэффициент теплопроводности, Вт/(м-°С); с — удельная теплоемкость, Дж/(кг-°С); р — плотность материала покрытия, кг/м®). При температуре 38 °С коэффициент температуропроводности для мелкозернистого асфальтобетона составляет 2,1 10-3 м2/ч, для крупнозернистого 2,64-10-3 м2/ч. При постоянном тепловом потоке в зависимости от безразмерной величины Ах = (/ — t0)l (tn — /„) критерий Fo имеет следующие значения: hx, м ......... . 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Fo............ 0,27 0,47 0,78 1,2 2 3,6 7 17,2 Плотность теплового потока (Вт/м2) на поверхность покрытия определяют из условия постоянства теплового потока: q = 1,16 (/„ — t0) УяЯср/(2 т/т ). Для горелок с керамическим насадком при постоянном тепловом потоке высота (м) установки горелок над покрытием Скорость движения базовой машины (м/ч) зависит от вре- *#С»ТТТТ л- плоггл“*«тпг"т    r> tr г.    vtt ного покрытия и длины I блока разогревателя: ум = l/х или им = 1а/(Fo /г2). Скорость движения базовой машины при увеличении глубины разогрева уменьшается обратно пропорционально квадрату глубины. В зависимости от плотности р и температуры X = 1,0-f- 1,4 Вт/(м-°С). Удельная теплоемкость изменяется в пределах 0,20—0,24 Дж/(кг-°С), среднее значение удельной теплоемкости 0,22 Дж/(кг-°С). Проектирование асфальторазогревателей предусматривает также определение мощности для привода рабочего оборудования, расчет устойчивости, тяговый расчет, расчет на прочность элементов машины согласно положениям, рассмотренным в гл. 2 и 4. ГЛАВА 4 иЬЬШЬЧЬпИЬ пАДсу^НОСi И ЗЛСМЕиТС!» II СИСТЕМ ДОРОЖНЫХ МАШИН В ПРОЦЕССЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 4.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ Сохранение в процессе эксплуатации способности выполнять требуемые технологические процессы является одной из основных задач повышения качества дорожной машины. Комплекс свойств, обеспечивающих эту способность машины, определяется показателями надежности. Надежность — свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени в заданных пределах значения установленных эксплуатационных показателей, соответствующие заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Под эксплуатационными показателями подразумеваются производительность, скорость и др. Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации включает безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость. Безотказность — свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки. Долговечность характеризует способность объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. Ремонтопригодность характеризует приспособленность объекта к предупреждению и обнаружению возникновения отказов, повреждений и устранению их последствий путем проведения технического обслуживания и ремонта. Сохраняемость — свойство объекта непрерывно сохранять исправное и работоспособное состояние во время и после хранения и транспортирования. Понятие отказа является одним из основных в теории надежности. Отказ — событие, заключающееся в нарушении работоспособности объекта. Под работоспособностью понимают состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией. Наработка — это продолжительность или объем работы объекта. Наработка объекта от начала эксплуатации до предельного состояния называется техническим ресурсом (ресурсом). В отличие от ресурса под сроком службы понимают календарную продолжительность Рис. 4.1. Графики функций распределения (а) и реализации случайных процессов (б): 1 — вероятности безотказной работы; 2 — вероятности отказа; 3 — плотности распределения наработки на отказ; 4 — стационарный; 5 — нестационарный первого типа; 6 —-нестационарный второго типа; 7 — нестационарный третьего типа эксплуатации объекта от начала эксплуатации до наступления предельного состояния. Под предельным состоянием понимают состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация должна быть прекращена вследствие неустранимого нарушения: нарушения требования безопасности, изменения заданных параметров за установленные пределы, снижения эффективности ниже допустимой. Объекты условно разделяют на элементы и системы. Система — это устройство, имеющее самостоятельное конструктивное и эксплуатационное назначение, состоящее из соединенных между собой элементов (комплекс машин, машина, узел). Элемент — конструктивно самостоятельная часть системы, выполняющая требуемые функции (деталь, узел, группа узлов, машина). Показатель надежности — это количественная характеристика одного или нескольких свойств, определяющих надежность объекта. Показатели надежности делятся на единичные и комплексные: единичный показатель характеризует одно свойство надежности, комплексный показатель — несколько свойств, составляющих надежность объекта. В качестве основных показателей надежности дорожных машин и узлов принимают следующие: гамма-процентный ресурс Ту, средний ресурс до капитального ремонта Тк или до списания Тс, коэффициент технического использования Кт.ъ или коэффициент готовности Кг, удельные суммарные трудоемкости ремонта или технического обслуживания. Эти показатели связаны с другими показателями: вероятностью безотказной работы Р (t), наработкой на отказ tH или наработкой до отказа элементов /д. Вероятность безотказной работы элемента Р (t) — это вероятность того, что элемент будет работоспособным в течение заданного интервала времени, или вероятность того, что за заданный интервал времени не произойдет отказа. Длительность времени безотказной работы элемента Т — случайная величина. Наиболее полными характеристиками случайных величин являются законы распределения. Законом распределения или интегральной функцией случайной величины Т принято называть невозрастающую функцию Р (t), выражающую вероятность неравенства Т > t, следовательно, безотказность представляет интегральную функцию распределении (рие. 4.1, и). Так Лет раиОГа и отказ являются противоположными состояниями, то Р (t) + f F (t) = 1, где F (t)— функция ненадежности. Вероятность безотказной работы можно оценить как отношение числа элементов, проработавших весь заданный срок без отказов, к общему числу N0 элементов, поставленных на испытание. При достаточно большом числе элементов можно определить статистическую оценку вероятности безотказной работы Р* (0 =(N0-n (t))/N0, где п (t) — число отказавших элементов. Статистическая оценка вероятности отказа F* (t) = п (t)/N0. Частота отказов в единицу времени a (t) = п (t)!{N0 At). Для достаточно большого N0 плотность распределения наработки на отказ или дифференциальная функция распределения at) = nmtf0 м). Интенсивность отказов X (/) = л (t)/{N (t) At), где    N (t) = N0 — n (t). Средний ресурс до списания (или капитального ремонта) 00 00 Т = { tf (t)dt = J P(t)dt, о    о где f (() — плотность распределения ресурса; t — ресурс до списания или капитального ремонта; Р (t) — интегральная функция вероятности распределения ресурса. Гамма-процентным ресурсом называют наработку, в течение которой объект не достигнет предельного состояния с заданной вероятностью у (%). Гамма-процентный ресурс определяют из уравнения где Р (Ту) — вероятность того, что за ресурс Ту объект не достигнет предельного состояния; F (Ту) — вероятность достижения предельного состояния. Отсюда 00    л у Р(Ту)= J f(t)dt=l - j f(t)dt. ту    о Коэффициент технического использования V —    ^    __ И    п    t т+ 23 (Гр + Гт.0)г <=1 где Т — суммарное время пребывания объекта в работоспособном состоянии; Тр — время ремонта; 0 — время технического обслуживания. Коэффициент готовности —    m    г Т + £ Т’вн I где Твн |—суммарное время внепланового восстановления. Коэффициент готовности численно равен вероятности того, что объект будет работоспособным в произвольный момент времени между плановыми ремонтами и техническим обслуживанием. 4.2. ВЛИЯНИЕ ПРОЧНОСТИ, СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ и износостойкости НА НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ ДОРОЖНЫХ МАШИН Решение задач, связанных с обеспечением долговечности дорожных машин, требует знания физических причин возникновения отказов. Причины появления отказов различны, различна их физическая природа. Особенности расчетов долговечности дорожных машин обусловлены: наличием и одновременной работой у многих машин нескольких рабочих органов и приводов, содержащих большое число элементов; применением вибрационных устройств, нагружающих элементы с высокой частотой, что может приводить к быстрому накоплению усталостных повреждений, взаимодействием рабочих органов с абразивной средой высокой твердости в условиях повышенных температур, приводящих к быстрому изнашиванию элементов. Таким образом, основные виды отказов элементов и систем дорожных машин возникают в результате потери прочности, усталости, изнашивания. Эти процессы зависят от режимов нагружения машин и характеристик материалов, из которых изготовляют элементы и системы машин. При определении нагрузок, действующих на элементы дорожных машин, используют конкретные аналитические и эмпирические зависимости, характеризующие работу машин. Основу многих зависимостей, определяющих максимальные нагрузки, составляет выражение где Рд — динамическая нагрузка; Ре — статическая номинальная нагрузка; Кя — коэффициент динамичности. Величины Рс, Кд являются функциями многих аргументов: физических свойств среды, паршетров и режимов рабочих органов и машпп. ОрИСпГЬрОБОЧНО Лля камнедробилок /Сд 2 : 2,6, катков и дорожных фрез Лд = 1,5-=-2,5, асфальтоукладчиков Кя = 1,5-5-1,7, рабочих орган® грунтосмесительных машин, режущих грунт, Кя = 1,5-7-2; гомельчающих грунт Кд = 1,2-5-1,3; перемешивающих материалы Кд = 1-г-1,2. При использовании расчетаых зависимостей получают приближенные значения нагрузок Реальные нагрузки в результате случайного изменения многих факторов являются также случайными. Для их определения применяют вероятностный анализ с использованием ЭВМ. Основшми характеристиками случайных нагрузок и случайных процессов являются: математическое ожидание; дисперсия; корреляциошая функция; спектральная плотность. Если имеется совокупность из п реализаций случайного процесса х (t), то в каждом сечении можно определить частное математическое ожидание, найти дисперсию и распределение случайной величины. Математическое ожидание — это предел, к которому стремится среднее значение случайной величины; при п —У оо я»* =4-23 **■ Дисперсия случайной величины d*=т=т 2 —т*)2. Характеристикой рассеивамя случайной величины служит также среднеквадратическое отклонение SX = -]^DX или коэффициент вариации Ч1-* = SJmx. Для оценки структуры процесса, взаимосвязи между значениями процесса в различные моменты времени используют автокорреляционную функцию /С (т) или нормированную автокорреляционную функцию R (т): к (т) = ц~т 2 - m*> (* (* — т) - m*)' где т — интервал времени, т — /8 — При т = 0 к (0) = Dx. Нормированная автокорреляционная функция Я(т)=*(т)//С(0). Если математическое ожидание и дисперсия случайного процесса не зависят от времени, а корреляционная функция не зависит от положения точек tu t2, i зависит от т, то такой случайный процесс является стационарным. Если характеристики случайного процесса не изменяются от реализации к реализации, то такой случайный процесс является эргодическим. Дли апалиаа 4dLiuinuiu \„u*~iciaa -ianhCilu upuu,CCv,a с корреляционной функцией применяют спектральную плотность 5 (со) =^2*(т>'СОЗ(ш(Ш))’ где со — частота процесса; К (т)j — значение корреляционной функции в определенный момент (t Af). Нормированная спектральная плотность s (со) = S (©)/£>*. Функция 5 (со) характеризует распределение энергии процесса по непрерывным частотам и позволяет оценить ширину основного спектра частот, среднюю частоту процесса. При вычислении значений тх, Dx, К (т), 5 (со), R (т) используют численные методы и получают так называемые оценки этих характеристик. При этом процессы квантуют, т. е. разделяют, дискретизируют; п = T/At, где Т — длительность реализации; At — шаг квантования. Часто процессы нагружения в узлах дорожных машин являются нестационарными. Нестационарные процессы нагружения можно разделить на три типа (рис. 4.1, б): процесс, математическое ожидание которого зависит от времени, а дисперсия постоянна; процесс, дисперсия которого изменяется во времени, а математическое ожидание постоянно; процесс, математическое ожидание и дисперсия которого зависят от времени. Для проведения анализа нестационарных процессов применяют методы: центрирование флюктуаций (высокочастотных составляющих); выделение тренда (низкочастотных составляющих); нормирование случайных флюктуаций. Случайные процессы можно представить в виде суммы флюктуаций хф и трендов хт. Для первого типа флюктуации случайного процесса являются стационарными, для второго и третьего — нестационарными по дисперсии. Они подлежат нормированию или преобразованию: где х0 — средняя (огибающей) процесса; Хф, н — нормированная флюктуация» Флюктуация процесса третьего типа имеет зависимость, близкую к функциональной от значения тренда: Для полного описания процессов определяют: дисперсию и корреляционную функцию нормированных случайных флюктуаций; дисперсии, амплитуды трендов зависимости изменения трендов. Если тренды являются детерминированными (функции времени), то это периодически нестационарные случайные процессы. Полное и точное описание процессов изменения нагрузок и получение сведений об их статистических характеристиках достигается на основе экспериментальных исследований. Рис. 4.2. Распределения параметров R и а (а) и выбросы случайного процесса х (I) на уровне а и распределения / (а) (б): /, 2 — площади, характеризующие вероятности отказов; 3, 4 — распределения параметра при относительно высокой и низкой технологии изготовления Прочность элементов. Модель возникновения внезапного отказа в общем виде представлена следующим условием: R <. а, где R — сопротивление элемента разрушению (предел текучести или прочности); а — напряжение в элементе. Если R > а, то имеется условие сохранения прочности. Причиной нарушения условия сохранения прочности, т. е. причиной отказа, могут быть: конструктивные, технологические дефекты, нарушение правил эксплуатации. В зависимости от соотношений R и о может наблюдаться полный отказ, разрушение (хрупкие материалы) или могут возникать остаточные пластические деформации. Для конкретного элемента значение R — постоянно, но в общем случае (для совокупности элементов) значения R имеют разброс и являются случайными величинами с соответствующим распределением. Экспериментально установлено, что для R может быть принято нормальное распределение. Распределение f (R) и коэффициент вариации vH существенно зависят от технологии изготовления. В то же время действующее напряжение так же не является постоянным как для конкретного элемента, так и для их совокупности. В общем случае, в элементах дорожно-строительных машин напряжение может быть охарактеризовано как случайный процесс (рис. 4.2, а). Основной характеристикой случайного процесса а (t) при анализе внезапных отказов является среднее число «выбросов» п0 этого процесса в единицу времени за некоторый уровень а. Для этого используют формулу Райса: ”. = -к- ]/ ~ feL-» -нёг1] • где Ка (т) — корреляционная функция; Ко <t) — вторая производная корре* ляционной функции. При а = а получаем среднюю частоту процесса: Среднюю частоту процесса можно определить эксперимен тально, тогда лст=лехр
]■
Таким образом для определения па нужно знать статистические характеристики напряжений: среднее а, дисперсию, коэффициент вариации или среднеквадратическое отклонение Sa, корреляционную функцию или среднюю частоту л. Надежность по распределению случайных напряжений оценивают на основе предположения, что напряжение а и сопротивление R разрушению независимы. Распределения / (R), / (а) подчиняются нормальному закону. Рассмотрим функцию, характеризующую условие прочности, Н = R — а. Среднее значение Н — R — а. Дисперсия DH =£>«+£>*= S% + SI = S%. Функция / (Н) подчиняется нормальному закону распределения: Характеристикой безопасности называют следующее выра жение: — R~a — JL Vc /S^+S| Sa ’ где уц — величина, обратная коэффициенту вариации величины Н. Коэффициент запаса прочности Величина y0 связана с Ka: где v£, — коэффициенты вариаций сопротивления разрушению и напряжений. Исходя из уб и л получают выражение для определения интенсивности отказов или средней частоты отказов: k = nQ exp (— yl/2), где Q = l/Kl + (Sh/S0)2. Вероятность безотказной работы P (t) = exp (—A7), Надежность сложнонапряженных элементов оценивают по эквивалентным напряжениям. Условием сохранения прочности считают R ^ оэкв. Отказ возникает при R « стэкв. Наиболее точно и полно сложнонапряженное состояние описывается объединенной теорией прочности. Третья теория прочности по сравнению с объединенной дает погрешность 7 %, но позволяет значительно упростить расчет. В соответствии с третьей теорией прочности    _ аэкв = yV + (2т)3. Возможны различные сочетания нагрузок, из которых следует выделить два основных случая. 1.    Действуют только нормальные напряжения (растягивающая или сжимающая сила и изгибающий момент) стэкв = сг, + ст2. 2.    Действуют нормальные и касательные напряжения (растягивающая или сжимающая сила и крутящий момент) овкв - /а +- (2т)2 . Среднее значение эквивалентных напряжений для этих случаев: 1)    ®8КВ = Н~ Ой! 2)    Ошв = /аа + (2ff. Дисперсии напряжений определяют методом линеаризации выражения d-.=2(w)!d- Тогда 1) Da вив = ^<ji + D й?)г°° + (;
2) Da3KB -\yd% + (2f)2 J “a i \yda + (2f): Средняя частота эквивалентного процесса 4D,
У1 Kai^x) ^экв
У, К<щх) i=1 т=0
■’ol "b ^2^02
-+-А
02
i/ д»а2Р„ + д*( V oWa -f (2т
(2т)2 4Dx
(2т)М DT
или, зная средние частоты процессов отдельных напряжений: 1) = 2) Йвкв
Часто нагрузки на элементах конструкций дорожно-строительных машин являются нестационарными. При расчетах прочности в этом случае используют принцип приведения нестационарного процесса к стационарному для того, чтобы использовать те же зависимости. Отличие заключается в том, что расчетный ресурс изменяется и определяется выражением *р = ^р* где /С„ — коэффициент режима, определяемый по таблицам, номограммам, Kv = = О-г-1. Если ресурс можно представить суммой отдельных периодов работы t = 2] ti, то вероятность безотказной работы Р — П Рг, где т — число видов работ, условий. Отсюда
Если при этом можно выделить наиболее нагруженный режим с интенсивностью отказов Я,р: Р = ехр ( — Vp 2j atbi j » di — ti/tp, bt = Более точно расчет ведется путем статистического моделирования на ЭВМ. Под обеспечением прочности понимают установление уровня напряжения, которое будет действовать на элемент и соответствовать нормативному уровню надежности. Исходя из этого напряжения определяют геометрические параметры элементов. 1.    Задается нормативный уровень вероятности безотказной работы Р0. 2.    Определяется характеристика безопасности т„_/_21л[—!|£-] . 3.    Определяется коэффициент запаса l+Ve/^+v^-П^ Ап    1 2 2    л 4.    Рассчитывается средний уровень напряжений а = R/Ka. Сопротивление усталости. Сопротивление усталости — это свойство детали противостоять усталости. Усталостью называют процесс накопления повреждений под действием переменных напряжений. Усталость рассматривается как постепенный отказ. Причина усталости в том, что напряжения, возникающие в элементе, периодически превышают определенное значение (предел выносливости), а каждое такое превышение оказывает повреждающее воздействию на элемент. Повреждения постепенно накапливаются, достигнув предельного значения, приводят к полному разрушению или появлению трещин недопустимых размеров. огп*ии«виилв 3 — крн*
Рис. 4.3. Схема определения распре- 6 делений ресурсов:
пЛггаг'т-к
долговечности; 2 — область ограниченной долговечности; вая усталости
В общем случае модель отказа в результате усталости можно представить в виде где Gn — предельное значение повреждений; G| — повреждения на отдельных этапах работы. Скорость накопления повреждений в течение каждого отдельного этапа Si = GJNi, где Ni — число циклов, необходимых для достижения предельного повреждения Gn при режимах и условиях, соответствующих I-му этапу работы. Тогда модель отказа St^ni — @п> где Nnt — число циклов действующих напряжений на i-м этапе работы. Скорость накопления повреждений и ресурс зависят от Nt циклов, которое в свою очередь определяется действующей амплитудой напряжений at и пределом выносливости. Предел выносливости — это максимальное напряжение а_ъ от действия которого не возникают разрушения при практически неограниченном числе циклов. Это число называют базовым числом циклов N0 » 107. Число Nt циклов от напряжений аь а также предел выносливости а_х определяют по кривым усталости, которые получают экспериментально. Кривая усталости — это графическая зависимость сгг от Nt или аг/а_х от Nt (рис. 4.3). Для удобства построений чаще используют зависимости <т4 = = f (lg Nt) или ojа_! = f (lg Nt). Часть кривой усталости, где ot > ст^, аппроксимируется степенной зависимостью. На этом участке справедливо выражение Ni/N о = (a^/otr где т — показатель степени, зависящий от свойств материала, размеров, формы и технологии изготовления элементов, характера режима нагружения, температуры и др., у образцов без концентраторов напряжение т = 64-12, у элементов с концентраторами т — 3-f-8. С позиций оценки надежности представляет интерес наклонный участок. Влияние состояния и качества поверхности детали на предел выносливости учитывают коэффициентами качества поверхности, определяемыми экспериментально. В результате определяют предел выносливости конкретной детали a_u. В общем случае предел выносливости — случайная величина вследствие разброса характеристик материала. Экспериментально определено, что значения предела выносливости подчиняются закону нормального распределения или закону Вейбулла. При оценке сопротивления усталости часто задачу сводят к необходимости определения функции ресурса элемента, если известно, что на элемент действует гармоническая, симметричная нагрузка аа. Возможны два основных случая, которые следуют из общей схемы формирования отказов по усталости (см. рис. 4.3). Первый — амплитуда напряжения ста пересекает все совокупности левых ветвей, т. е. лежит выше максимально возможного предела выносливости. Этот случай — полностью ограниченной долговечности. Дифференциальные и интегральные кривые распределения ресурса имеют обычный вид. Второй — амплитуда напряжений пересекает часть левых ветвей кривой усталости, т. е. проходит ниже максимума вдоль предела выносливости. Это случай частично ограниченной долговечности. В этом случае от усталости разрушится лишь та часть элементов, линии которых пересечены. Дифференциальные и интегральные кривые распределения ресурса имеют характерный участок с постоянными значениями. В первом случае в области полностью ограниченной долговечности справедливо выражение а-1д = оа VN/N0 = <р (АО, где N — число циклов до разрушения. При частоте п изменения напряжения ресурс определяется выражением Т = N/n. Поэтому при известном п необходимо найти распределение N, тогда Т определяется распределением N. В теории вероятностей известно f(N) = f [Ф (N) <р' да. Отсюда

где a_jд, S_1д — среднее значение, среднеквадратическое отклонение предела выносливости детали. Коэффициент вариации предела выносливое и у-1д = ^-1д/^-1д- Для расчетов используют коэффициент запаса по сопротивлению усталости К7 ~ б'_1д/оа, а также характеристику безопасности Y6 = (VW*7~ Ky)l(Kyv_ln). Зависимость количества циклов до разрушения от этих величин ЛГ = ЛМ1+7бУ_,д )тК?. Вероятность безотказной работы Р = 0,5 [1 + Ф (т„)], где Ф (7б) — функция Лапласа. Для построения функций распределения в области частично ограниченной долговечности можно использовать те же зависимости, но не на всем интервале чисел N, а до N0, после которого долговечность можно считать неограниченной, а вероятность безотказной работы постоянной Р (N0). Коэффициент вариации предела выносливости V_lfl = УV? + V2 + V» + Ч'экв. где Vj — коэффициент вариации пределов выносливости деталей, изготовленных из металла одной плавки, = 0,03-4-0,07, v2 — коэффициент вариации средних пределов выносливости из металла одной марки, но разных плавок, v2 = 0,05-f-0,1; va — коэффициент вариации размеров детали, va = 0,02-5-0,1; YeKB — коэффициент вариации эквивалентного напряжения. Нагрузки чаще всего имеют случайные амплитуды и могут иметь несимметричный характер. Во всех этих случаях необходимо определять характеристики гармонических детерминированных напряжений с симметричным циклом стэ«в эквивалентных по разрушающему воздействию случайных'напряжений и использовать их при определении коэффициента запаса Ку = б_1дуОУ/М0/<хэкв. Для линейного накопления повреждений и степенного уравнения кривой усталости o?N{ = const, а эквивалентного напряжения Стэкв = у (23 j aN0 . Суммирование следует проводить по всем напряжениям, превышающим 0,5ст_1д. Коэффициент а = 1 при линейной зависимости накоплений повреждений, в других случаях его значение уменьшается до 0,2. При дсисиэии напряжений, dCHMMCl рия Ц11КЛИ КОЮрЫХ СЛу- чайна, определяют приведенную амплитуду симметричного цикла: Опр — °t~\~ РхСГо, где а0 — среднее напряжение цикла; Oj — i-я амплитуда цикла; pt — коэффициент асимметрии, р! = 0,1-г-0,3. Для случайного процесса с постоянной асимметрией цикла где а — среднее напряжение процесса. При действии на элемент нагрузки в виде блока, т. е. набора симметричных циклов с разной амплитудой ог: ст,кв = ]/"-щ- 2    , где q — число блоков нагружения за весь срок служба; /j — относительная длительность l-й нагрузки, ti = Ngi/Nq; Nq — общее число циклов повторения амплитуды всех уровней в блоке нагружения. Для случайного стационарного нормального процесса YЦпЧ {т-\-2)Р (F2, т 4- 2))/aN0 -4 РцО, где Sa — среднее квадратичное отклонение; т — показатель кривой усталости; л — средняя частота процесса; Чг (т + 2) = 1, 3..... (т — 2) т Vп/2 при нечетном значении т., Y (от + 2) = 2m/,2 (т/2) при четном значении т; Р (К2, т + 2) — табулированная функция %2 — распределение Пирсона; N0 — базовое число циклов; рх — коэффициент чувствительности; сг — среднее напряжение. Надежность от усталостного разрушения обеспечивается, если напряжения в элементе не превышают определенного уровня, при котором в течение заданного ресурса с заданной вероятностью не возникает усталостного разрушения. При полностью ограниченном ресурсе коэффициент запаса прочности к -JVUEL. у 1 + Y6v-ifl ’ где ye — характеристика безопасности, определяемая из уравнения: Ф (ус) = . = 2Р — 1. Средний ресурс по числу циклов находят при v_ln = 0: При частично ограниченной долговечности N = N0 /Су = 1/(1 - YoV-ih), а средний ресурс оценивать не требуется. Далее определяют уровень напряжений по коэффициенту запаса. Уровень напряжений с симметричными амплитудами- Рис. 4.4. Модели динамики изнашивания ли- h небная (1), нелинейная (2, 3, 4) и общая модель а •— приработка; б — установившееся изнашивание; в —• катастрофическое изнашивание    h
Износостойкость элементов. Наиболее характерным для дорожных машин является абразивное изнашивание. Абразивное изнашивание происходит в результате микрорезания или многократного микроскопического деформирования металла абразивными телами. Это наиболее характерно для элементов рабочих органов (фрезы, шнека, зубьев, детали ходового устройства и др.), которые непосредственно взаимодействуют с абразивными средами. Различают изнашивание в абразивной среде, которое характеризуется микрорезанием, и контактно-абразивное изнашивание, которое характеризуется усталостью. Микрорезание возникает при отношении твердости поверхностного слоя детали к твердости абразива HIНа < 0,5, а усталость при Я/Яа > 0,7. Основной количественной характеристикой изнашивания служит линейный износ детали: А Л = Л2 — hlt где hx, /ц — размеры детали. Можно применять другие характеристики: объемный, массовый износ, а также интенсивность изнашивания / = A h/AL, где ДА — линейный износ; ДL — путь трения. Динамику процесса изнашивания характеризует скорость изнашивания i — Ah! At, где Дt — время изнашивания. Наиболее характерны пять основных моделей динамики изнашивания (рис. 4.4). Первая, наиболее простая — линейная модель (кривая 1). Скорость изнашивания i — const. Длительность работы может быть определена как Вторая модель характеризуется приработкой с последующей постоянной скоростью изнашивания (кривая 2). Это наблюдается в шарнирных соединениях, подшипниках скольжения. Третья модель с монотонно снижающейся скоростью изнашивания (кривая 3), что характерно для подшипников скольжения, шестерен. Четвертая характеризуется увеличением скорости изнашивания (кривая 4). Наиболее общая модель (кривая 5 — кривая Лоренца) включает три стадии (рис. 4.4): a — приработку; б — установившееся изнашивание; в — катастрофическое изнашивание. Для участка б можно определить ресурс (без учета tt) I = Vbp — Л0) tg ф; tg Ф = I. Катастрофическое изнашивание может начаться при увеличении зазора в сочленении вследствие нарушения условий трения или изнашивания обработанного слоя поверхности детали. Пары трения часто работают с перерывами. В этом случае кривая износа имеет ступенчатый вид и модель отказа tjij = ^пр> где N — число циклов за весь ресурс; t] — длительность /-го цикла; ij — скорость изнашивания в /-м цикле; hnp — максимальный износ. Если t} = Tf}, тогда ресурс Т — hnp j fjh ~ hnp/fi где fj — относительная длительность /-го цикла; I — средняя скорость изнашивания. При оценке работоспособности механизма необходимо установить предельно допустимые значения износа Нпр. Имеются нормативы на предельные износы для ограниченной номенклатуры деталей. При занижении значений срок службы деталей используется неполностью (потери основных фондов затрат); при завышении — возрастает доля аварийных ремонтов вследствие отказов в межремонтный период (повышаются текущие затраты), т. е. вообще существует оптимизационная задача определения Лпр. Возможно установление Лпр из условий прочности, так как уменьшение размера детали в результате изнашивания приводит к снижению прочности. По израсходовании запаса прочности можно получить /глр для тихоходных передач. Для быстроходных передач следует учитывать еще повышение динамических нагрузок за счет увеличения зазоров Р = Ро + Рд, где Р0 — расчетная нагрузка; Ря — динамическая составляющая, Рд—f (А) (Д — зазор). Для реверсивных передач на зазор влияет износ четырех поверхностей зубьев. Предельный износ можно установить также из условия точности или многозвенных механизмов (цепей, гусеничных цепей). Из условия суммарного износа h « 5 -*-6 %, т. е. предельное удлинение цепей (Lmax — L)/L С 0,05. Наиболее точно устанавливают предельные износы экспериментально. Возможны другие случаи выбора и определения предельного износа по предельному снижению производительности, увеличению энергоемкости, невыполнению заданных функций. Следующей задачей является определение скорости ичняттшвя-ния, которая может быть рассчитана по зависимости i = aN^p/FKvi, Рис. 4.1. Общая схема возникновения отказов и определения распределения ресурсов при изнашивании
где а — коэффициент пропорциональности, определяют по справочным данным; Nrp — мощность трения; F — площадь контакта трущихся элементов; Ли — коэффициент запаса износа стойкости. При этом мощность трения N1 р — fipRv, где /тр — коэффициент трения; R — усилие, действующее перпендикулярно к относительному перемещению (силе нормально!» давления); v — скорость относительного перемещения. Коэффициент запаса износостойкости Кк = еи/<7и, где е„, <?„ — относительные значения износостойкости детали и изнашивающей способности среды. Значение еи определяют экспериментально в зависимости от материала деталей, а также имеются справочные данные о ней. Относительную изнашивающую способюсть можно определять произведением <7и ~ КдКрКа, где Ка — коэффициент, характеризующий давленк на поверхности трения; Кр — коэффициент, оценивающий твердость и форм) абразивных зерен, определяющих характер разрушения (микрорезание или устлость); /Са— коэффициент, учитывающий степень закрепленности абразива в среде. Оценка надежности элементов при изнашивании производится на основе рассмотрения общей схемы юзникновения отказа (рис. 4.5). Отказ элемента возникает при достижении предельного значения Л„р. Модель отказа h (t) = i (t — /0) + h0 ^ h^p. Безотказная работа обеспечивается при условии h (t) = i(t — t0) + h0 <^nP, где t — текущее время; t0 — время обкатки (прирабггки); Л0 — износ в период обкатки. При изнашивании в абразивной среде южно считать t0 = 0; h0 = 0. При контактно-абразивном изнаиивании t0 мало по сравнению с t. Тогда it + ft0 < Лпр. Но параметры t, h0, hnp в общем случае величины случайные. Поэтому ресурс деталей Т тоже случайная величина: Т = (ЛПР — h0)/i и поэтому существует плотность распределения / (Г). В общем случае для описания / (Т) при коэффициенте вари-ячяи ррсурсз    0,33 испсльсугст нормальнее распределение, а при ¥ > 0,33 — гамма-распределение. При нормальном распределении скорости' изнашивания Р(Т) = 1 -Ф [(Яо +ТГ......hap)/(lTT)]. Средний ресурс rjy_ (Апр — Hq) вц _ AhKjn ~ (aN/F) Ke.Kjj<v ~~ ап Коэффициент вариации ресурса Y    + ¥!„ + VI +- П + Па. + Пд + ^2КР. где — коэффициент вариации предельного износа, который зависит от технических допусков и качества изготовления, = 0ч-0,2; Т — коэффициент вариации относительной износостойкости, при контактно-абразивном изнашивании 'Чгеи — 0,03^-0,08, в абразивной фазе Теи = 0,08-s-0,15; Y,v — коэффициент вариации удельной мощности трения (зависит от скоростей машины), Ч'дг = = 0,2-i-0,3; — коэффициент вариации абразивности, в абразивной среде = 0,2 -4-0,33, при контактно-абразивном изнашивании    = 0; Ч'кд — коэффициент вариации давления, в абразивных средах Ч^д = 0, при контактноабразивном изнашивании Чкд — 0,15-7-0,25; Т/Ср = 0,lV0,2— коэффициент вариации твердых включений. Под обеспечением надежности следует понимать определение необходимой износостойкости элементов и размеров износостойкого покрытия, при которых в течение заданного ресурса с заданной вероятностью не наступит предельный износ. Запас по износу ho - Апр = Ut-уТТуУ - Ттч, где Ux_y — параметр, определяемый по таблице функции Лапласа — соответствует вероятности Ф (t/i_v) = 1—Y (V — нормативный уровень вероятности безотказной работы); Ту — гамма-процентный ресурс. Обеспечение и повышение надежности производятся на основе конструктивных мероприятий, применения новых износостойких материалов, улучшения смазочных материалов, компенсации износа, контроля за износом, применения безызносного трения. 4.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ Расчет надежности системы заключается в определении вероятности Р (£) безотказной работы всей системы по значениям вероятности безотказной работы каждого элемента. Расчет включает в себя: расчленение сложной системы на отдельные элементы, определение вероятности безотказной работы элементов, составление структурной схемы и ее расчет. Все элементы системы можно разделить на группы: элементы, отказы которых не влияют на работоспособность изделия; элементы, работоспособность которых практически не изменяется (корпуса малонагруженные детали); элементы, ремонт и регулирование которых возможны при работе изделия или во время остановок; элементы, отказ которых приводит к отказам изделия. Количество, степень, характер расчленения зависят от конкретной решаемой задачи. Нужно стремиться разбить систему на элементы, отказ одного из которых не будет влиять на отказ других. Это позволяет упростить расчет. Тогда, при условии, что отказ одного элемента выводит из состояния работоспособности всю систему, структурная схема представляется последовательным соединением элементов, а вероятность безотказной работы системы в этом случае равна произведению вероятности безотказной работы элементов: р(0 = ргр,...ря = пр,. При одинаковой надежности элементов P(t) = P?. Системы, состоящие из элементов высокой надежности, могут обладать низкой надежностью вследствие наличия большого числа элементов, отказ которых приводит к отказу всей системы. Например: если Рj = 0,99 и п = 50, то Р (<) == (0,99)®° = 0,6; если же п = 400, то Р (t) = (0,99)400 = 0,018. Если причина отказа системы связана с внезапными отказами (по прочности), которые подчиняются экспоненциальному закону, Pi = tTxt*\ Р (t) = П — е“(х1+яч+'”+хп)< = e“V. i=l Если в приводе машины выйдет из строя любая шестерня, муфта, насос и др., то весь привод перестанет функционировать. Конструктивно эти элементы не обязательно должны быть соединены последовательно, но структурная схема изображена последовательным соединением элементов. В общем случае для каждого элемента характерна определенная кривая распределения наработки и ресурсов ft (/), которая может быть получена на основе анализа модели возникновения отказа. Поэтому следует учитывать, что при изменении времени t, в течение которого рассматривается работа системы, изменяется и значение Pt для каждого элемента. Для повышения надежности систем можно применить резервирование, т. е. создавать дублирующие элементы. При выходе из работоспособного состояния одного элемента его функции выполняет дублер и система не прекращает работы. Структурная схема в этом случае представляется параллельно соединенными Рис. 4.6. Построения структурных схем надежности в зависимости от конструктивной схемы и вида отказа: а—в — параллельное соединение фильтров гидросистемы; г—д — последовательное соединение; а, г — конструктивные схемы; б, д — структурные схемы отказ — засорение; в, е — структурные схемы отказ — разрыв элементами. Отказ будет иметь место при условии отказа всех элементов. Вероятность совместного проявления отказов F(t)^FxF, а вероятность безотказной работы *=1
П (1 ~Pt). <=1 Например, если вероятность безотказной работы элемента Pi то Р (t) = 0,999, т. е. Р (t) резко повышается. Поэтому возможно создание надежных систем из малонадежных элементов, работоспособное состояние каждого из которых обеспечивает работоспособное состояние системы. Различают нагруженный, облегченный и ненагруженный резервы. Облегченный резерв, когда резервные элементы до момента включения находятся в облегченном режиме работы и вероятность их отказа в этот период мала. Ненагруженное резервирование (резервирование замещением), когда резервные цепи находятся в отключенном состоянии и включаются в том случае, если основной элемент отказывает. Построение структурных схем надежности зависит не только от конструктивной схемы, но и от вида отказа (рис. 4.6). Поэтому необходимо четко формулировать, что подразумевается под отказами элементов и системы. Возможно определение требований к надежности систем по ремонтопригодности и предельному состоянию. Показателем ремонтопригодности системы является относительный уровень (ранг) ремонтных затрат Ri — %i/ZK.p, где Zj — затраты на восстановление работоспособности 'при г-м отказе; ZK. р — уровень затрат капитального ремонта, ZK. р = Z„ + Zp + Zc<5 + Za (Zn — эа- 0,9 и л = 3, Рис. 4.7. Структурная схема системы по ремонтопригодности с рангами ремонтных затрат элементов: / — = 1; 2 — R, = 0,6; 3 Я, = 0,3; 4 - = 0,1 траты на подготовительные операции — очистку, — мойку, слив горючего; Zp — затраты на разборку; Zcб — затраты на сборку; Z3 — затраты на заключительные операции — регулирование, испытания). Возможные ситуации: а — Zt ^ ZK р; б — 0 < Z, < ZK. р. Считают, что случай а характеризует ремонтную ситуацию или событие предельного состояния, т. е. Rt> 1; £*,>1. Необходимо определить вероятность возникновения событий достижения предельного состояния. Составляют структурные схемы надежности систем по ремонтопригодности и производят их анализ. Элементы, имеющие в системе Rt 5» 1, в структурной схеме соединяют последовательно. Элементы, имеющие Rt < 1, соединяют параллельно, образуя подсистемы (ремонтные комплекты) так, чтобы минималь- ное число рангов давало бы суммарный ранг, J] Rt ^ 1. Например, машина состоит из четырех узлов. При этом известны ранги для каждого узла: /?г = 1; R2 = 0,6; R3 = 0,3; Ri ~ 0,1. Структурная схема (рис. 4.7) состоит из параллельно включенных элементов 2, 3, 4, образующих подсистему, к которой последовательно подключен элемент /. Вероятность достижения предельного состояния рассчитывают по зависимости Р (Ту) = Рг [1 -(1 - Р2) (1 - Р8) (1 - Р4)], где Р1г Р,, Ра, Р4 — вероятности возникновения ремонтных ситуаций. Надежность систем, в том числе и машин в целом, определяют также экспериментальными методами. Наиболее эффективны методы ускоренных автоматизированных испытаний с применением специальных стендов и управляющих ЭВМ, а также имитацией характера изменения нагрузок в условиях эксплуатации. ГЛАВА 5 МАШИНЫ И иьОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДОБЫЧИ И ПЕРЕРАБОТКИ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ 5.1. МАШИНЫ ДЛЯ ДОБЫЧИ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ Большое количество каменных материалов, необходимых для строительства дорожных одежд различных типов, добывается путем разработки месторождений открытым способом в карьерах. Работы по добыче строительного камня, залегающего массивами, включают бурение шурфов и скважин для размещения зарядов взрывчатых веществ, взрывание породы, дробление крупных камней (монолитов), погрузку и транспортирование взорванной породы из карьера. Производство буровых работ в карьерах осуществляется пневматическими перфораторами (бурильными молотками) и буровыми станками. Бурильные молотки применяют для бурения шпуров диаметром до 75 мм и глубиной до 5—7 м, а станки — для бурения скважин диаметром более 75 мм и глубиной 10—300 м. При разработке каменных карьеров скважины обычно бурят на глубину не более 30 м. Бурение станками называют глубоким бурением. Бурение состоит из операций: разрушения породы, отделения ее частиц от общего массива и удаления разрушенной породы из скважин. Разрушение горных пород при бурении шпуров и скважин осуществляют механическими и физико-химическими методами. К механическим методам относят ударно-поворогное, вращательное и удар но-вращательное бурение. Удар но-поворотное бурение производят инструментом, выполненным в виде клина. Последний внедряется в породу под действием кратковременной ударной нагрузки, направленной по оси скважины. После удара инструмент приподнимается над забоем, поворачивается на некоторый угол и наносит удар по новому месту в забое, Последующими ударами скалываются элементы породы в открытую сторону. Отделенная порода удаляется из забоя. Ударно-поворотное бурение осуществляется перфораторами и станками ударно-канатного бурения. Перфораторы (рис. 5.1) представляют собой бурильный молоток, работающий от сжатого воздуха или сжагой жидкости и снабженный механизмом поворота бура. По условиям применения и способу установки перфораторы разделяют на ручные, телескопные и колонковые. Перфоратор имеет цилиндр, в котором под действием сжатого воздуха, поступающего через воздухораспределительное устройство, движется поршень-боек. В конце рабочего хода поршень-боек ударяет по хвостовику бура. Воздухораспределительное устройство может быть клапанным или золотниковым. Расчет основных параметров перфоратора. Основной характеристикой рабочего процесса и области применения перфоратора является мощность, которая определяется энергией одного удара и частотой ударов в единицу времени. Рис. 5.1. Схема перфоратора:    g / — хвостовик бура; 2 — выпускной клапан; 3 — цилиндр; 4 поршень-соек; о, ь, а — каналы; 7 — клапан
,/

Мощность перфоратора (кВт) N = Л л/1000, где А — кинетическая энергия, развиваемая поршнем при рабочем ходе, Дж, А = mv2/2 (т — масса поршня, кг; v — скорость поршня в конце рабочего хода, м/с); п— частота ударов поршня, л = 30-5-40 Гц. Условно принимая время рабочего хода tv равным времени холостого хода tx, частоту ударов (Гц) определяют по формуле п = 1/(/р + tx) = 1/(20- При равномерно ускоренном движении поршня время (с) t = уг 2 S/a, где S — ход поршня, м; а — ускорение поршня, м/с*, а = Р/т = pnD2/(4m) (Р — сила, действующая на поршень, Н; р — давление воздуха, Па; D — диаметр поршня, м). Подставляя значение а, получают выражение для определения частоты ударов (Гц) поршня: rt = 0,3 У P/(Sm). Следовательно, частоту ударов поршня перфоратора можно повышать уменьшая ход S и массу т и увеличивая диаметр поршня. Современные перфораторы имеют отношение D/S» 2. Перфораторы работают при номинальном рабочем давлении воздуха р = 0,5 МПа. При работе перфоратора шпуры от буровой мелочи очищают водой или сжатым воздухом. Простая конструкция, обслуживание и независимость от источников энергии привели к широкому распространению на карьерах строительных материалов станков ударно-канатного бурения. Рабочий процесс станка ударно-канатного бурения сводится к периодическому подъему бурового снаряда, который при сво- Рис, 5.2. Схема станков шарошечного бу- ПРНИГЯ'
/ — редуктор; 2 — электродвигатель; 3 — конечные выключатели; 4 — буровой став; 5 — вертлюг; 6 — гидропатрон; 7 — шток; 8 — полый шпиндель; 9 — гндроцилиндр бодном падении наносит удар по дну скважины, разрушая породу. Масса бурового снаряда 500—3000 кг, высота подъема 0,6—1,2 м с частотой ударов около 60 в минуту. Наибольшее распространение получили машины вращательного и ударно-вращательного бурения (рис. 5.2). Вращательное бурение осуществляется путем приложения к буровому инструменту вращающего момента и осевого усилия. Под действием осевого усилия инструмент внедряется в породу. Затем при одновременном действии этого усилия и вращающего момента происходит разрушение породы, которое можно представить как чередование деформаций сжатия и скалывания (сдвига) после достижения предельного состояния. Периодичность сколов и крупность элементов стружки зависят от параметров рабочего органа и свойств разрушаемой породы. При добыче нерудных материалов широкое распространение получило шарошечное бурение взрывных скважин. Принцип шарошечного бурения сводится к вращению долота, оснащенного шарошками-конусами с зубьями. Последние свободно посажены посредством подшипников на цапфы и при вращении долота перекатываются по забою — дну скважины. При этом зубья под действием осевого давления, передаваемого через буровой став, внедряются в породу и производят ее разрушение. Продукты разрушения из скважины удаляются сжатым воздухом или промывочной водой. После полного заглубления рабочего органа производится наращивание бурового става. Развинчивание и свинчивание штанг производится с помощью редуктора и гидроключа. Наибольшее распространение получили трехшарошечные долота, хотя в некоторых случаях находят применение долота с одной, двумя, четырьмя и более шарошками. Ударно-вращательное бурение осуществляется вращением бурового става, принудительной статической подачей бура на забой и одновременной работой погружного пневмоударника. Станок и кинематика его рабочего органа аналогичны конструкции и кинематике станка вращательного бурения. Вместо шарошечного долота буровой став снабжен пневмоударником, работающим от сжатого воздуха. Этим же воздухом очищается скважина от разрушенной аиридш. Физико-химические способы бурения бывают термическими, взрывными, гидравлическими и др. Процесс разрушения горной породы при термическом бурении основан на действии высокотемпературного газового потока на забой скважины. Нагреву подвергается слой породы небольшой толщины. В породе возникают термические напряжения, которые пропорциональны разности температур смежных слоев. Происходит эрозия верхнего слоя, и продукты разрушения выносятся газовым потоком из скважины. Рабочим органом является горелка, в камере которой температура газов достигает 2500—3500 °С, а скорость их истечения 1800—2000 м/с. В качестве горючего может быть использовано любое жидкое топливо (керосин, бензин, солярное масло) в смеси с окислителем — кислородом, воздухом, азотной кислотой. Взрывной метод бурения сводится к разрушению породы взрывами зарядов ВВ небольшой мощности, подаваемых с определенной частотой в скважину вместе с промывочной жидкостью. Гидравлический способ разрушения пород струей воды, вылетающей из сопла гидромонитора со скоростью 60 м/с при давлении 3 МПа, используют при разработке обычных грунтов. Для разрушения скальных пород давление в струе должно быть 50 МПа и более. Электрогидравлический способ разрушения заключается в периодически повторяемых высокоимпульсных разрядах между контактами электрической цепи в жидкости. 5.2. МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ Измельчение является процессом последовательного уменьшения размеров кусков твердого материала от первоначальной крупности до требуемой. При производстве щебня в результате измельчения получается готовый продукт. В других случаях этот процесс является подготовительным для дальнейшей переработки, например, пр.и производстве цемента. В зависимости от начальной и конечной крупности кусков материала различают два основных вида процесса измельчения: дробление и помол. В зависимости от крупности конечного продукта различают: дробление — крупное (размер кусков 100—350 мм), среднее (40— 100 мм), мелкое (5—40 мм); помол — грубый (размер частиц 5— 0,1 мм), тонкий (0,1—0,05 мм), сверхтонкий (менее 0,05 мм). Свойства измельчаемых материалов и требования к продуктам дробления. Сырьем при производстве многих строительных материалов служат горные породы. Основные физико-механические свойства горных пород, влияющие на технические параметры перерабатывающих машин, определяют следующие характери- 5 П/р В. И. Баловнева стики: прочность, хрупкость, абразивность, крупность, плотность, удельный вес. 129
TTjju-muoin --ijt> 1ирной ПирОДЫ ССШрохИЬЛЯГЬСЯ раз- рушению под действием внутренних напряжений, возникающих в результате внешней нагрузки или других причин. Предел прочности при сжатии (МПа) Осж = р/р> где Р — разрушающее усилие, Н; F — площадь поперечного сечения, м*. Испытанию подвергают не менее пяти образцов с последующим определением среднеарифметического значения. По пределу прочности при сжатии горные породы разделяют на категории: особо прочные от 250 МПа и более, прочные 150—250 МПа; средней прочности 80—150 МПа; мягкие — менее 80 МПа. Важным показателем прочности горной породы является также прочность на разрыв. Хрупкость характеризуется способностью горной породы разрушаться при ударной нагрузке без заметных пластических деформаций. Хрупкие горные породы обладают малой разницей между пределом прочности при сжатии и пределом прочности при растяжении. Хрупкость горной породы определяют на копре числом ударов гири массой 2 кг, падающей каждый раз с высоты, превышающей на 1 см высоту предшествующего удара до разрушения образца. По показателю хрупкости, определяемой числом ударов, породы разделяют на очень хрупкие (до 2 ударов), хрупкие (2—5 ударов), вязкие (5—10 ударов), очень вязкие (более 10 ударов). Абразивность характеризуется способностью материала изнашивать рабочие органы машин. Абразивность горных пород важно знать при определении рациональной области использования оборудования для переработки пород. По методике ВНИИстройдормаша 10 категорий показателя абразивности определяют износом эталонных бил в граммах, отнесенных к 1 т переработанного материала, с помощью прибора, представляющего собой роторную дробилку, при окружной скорости 30 м/с. Неабразивные материалы категории 0 (тальк, аргиллит) имеют показатель абразивности 1 г/т, малоабразивные категории I—III (известняк, мрамор, алевролит) 1—8 г/т, среднеабразивные категории IV—VI (известняк, песчаник, кирпич) 8—65 г/т, высокоабразивные категории VII—IX (гранит, базальт, кварцит) 65— 500 г/т. Крупность кусков обозначают линейными размерами: длиной а, шириной Ь и толщиной с. Основным показателем является диаметр кусков: среднеарифметический d = ~ (а + b + с), среднегеометрический d = jS abc или диаметр окружности, опиоаннвй вокруг ширины и толщине! куска, d = -f/~b* + са. Зерновой состав продукта измельчения определяют путем пассева пробы на наборе сит с коуглыми отверстиями. Масса пробы (кг) при оценке продукта дробления М = 0,02da 4- 0,5d, где d — максимальный размер верна, мн. Материал определенной крупности, проходя через набор сит, задерживается последним. Вся проба разделяется на несколько классов. При рассеве пробы на наборе сит с круглыми отверстиями диаметром 5, 10, 15, 20 мм образуются классы 0—5 (или —5); 5—10; 10—15 j 15—20. Остаток на сите 20 мм называют классом +20. Отдельные классы взвешивают и определяют их среднеарифметическое по числу проб процентное содержание по отношению к общей массе пробы. Степень измельчения определяет отношение средневзвешенных размеров кусков исходного материала и готового продукта i = = D0.B/<20.B. Средневзвешенный размер а _ ditrtx + d2ni2 + • • • + dnmn о-в    100    ’ где di — средний размер классов; mt — содержание данных классов, %. Распространенными строительными материалами являются щебень (3—70 мм), гравий (3—150 мм) и песок (до 5 мм). Теоретические основы дробления и измельчения каменных материалов. Энергия, необходимая для измельчения материала, зависит от ряда факторов: прочности, хрупкости, однородности исходного материала, его влажности, размера, формы, взаимного расположения кусков, метода дробления, вида и состояния рабочей поверхности машины и др. Аналитические зависимости, устанавливающие связь между расходом энергии на измельчение и физико-механическими свойствами измельчаемого материала и параметрами конечного продукта, носят приближенный характер. Для определения энергии, необходимой для измельчения, разработано несколько гипотез: первая говорит о пропорциональности энергии вновь образованной поверхности (первая гипотеза измельчения — гипотеза поверхностей); вторая — о пропорциональности энергии объемам или массам дробных тел (вторая гипотеза — объемов); третья, комбинированная гипотеза говорит о пропорциональности энергии измельчения образующимся поверхностям и объемам дробимых тел. Первая гипотеза, трактующая о пропорциональности работы, расходуемой на измельчение материала вновь образованной поверхности, была выдвинута в 1867 г. П. Риттингером. Эту закономерность представляют в виде соотношения А = k AF, где к — коэффициент пропорциональности; AF — приращение поверхности. Из гипотезы следует, что для разделения куба со стороны, рс.2пс5 единиц0, пл отттгой тгттогкпгти требуется работа, равная А, а для дробления куба со степенью измельчения i = 2, г. е. чтобы сторона полученных кубиков была равна Va первоначального размера, нужны три: плоскости и, следовательно, требуется работа, равная ЗЛ. В результате деления куба тремя плоскостями получится 2® = 8 кубикйв (см. рив. 5.3, е). При степени измельчения i = 3 потребуется шесть плоскостей и работа, равная 6А. В этом случае получится З3 = 27 кубиков. Степень измельчения in требует 3 (in — 1) плоскостей и работы 3A (t'„ — 1); степень измельчения im требует 3 - 1) плоскостей и работы ЗА (im — 1). Следовательно, Ап — 3>4 (t„ — l)j Ат = ЗЛ (tTO — 1). Большие степени измельченияс позволяют пренебречь цифрой: 1 в скобках. Тогда ■Ап___in Обычно принимают, что начальный (исходный) размер куска одинаков и равен D. "Тогда in = Dldn и im = Dldm. Отсюда i-n^im = dm/dn, т. e. n    i-m dn Следовательно, работа, затраченная на измельчение, прямо пропорциональна степени измельчения или обратно пропорциональна размеру частиц готового продукта. Один кусок материала кубической формы размером D имеет поверхность 6D2 при измельчении этого куска до размера d, т. е. со степенью измельчения £ = D/d получим t3 кубиков, каждый из которых имеет поверхность 6da. Вновь образованная поверхность AF определяется формулой: AF = 6dH3 — 6D2 = 6D2 (i — 1). По первой гипотезе работа, необходимая для дробления одного куска размером D при степени дробления i: А = k&D* (£ — 1) или А = kiD* (t — 1). При дроблении не одного куска, а М килограммов материала, или М/р (м3) (где р — плотность материала, кг/м3) при среднем размере куска материала £>ср, количество дробимых кусков равно M/(pDcp)- Если работа дробления одного куска равна AkxDlp (t — — 1), то работа дробления M/(pD?p) кусков определяется формулой , h (f-l)M .    А.-ь Л-k (i~ 1)M P Dcv * при p “ ftP A ~ Dcp * Здесь ряд параметров [степень дробления i, средневзвешенный размер куска исходного материала Dcp, количество раздробле-ного материала М (кг) ] отражают процесс дробления и в каждом случае заданы. Существенные трудности представляют опре- деление коэффициента пропорциональности &р между затраченной работой и вновь обнаженной поверхностью. Вторая гипотеза говорит о том, что энергия, необходима» для одинакового изменения формы геометрически подобных и однородных тел, пропорциональна объемам или массам этих тел. Эта гипотеза названа гипотезой объемов. Гипотеза базируется на основных положениях теории упругости. В 1885 г. Ф. Кик предложил определять работу деформации исходя из закона упругой деформации Гука а = Ев по формуле А = o2Vi(2E), полученной из отношений А = Р Л//2, где а — напряжение, возникающее при деформации, Па; V — объем деформируемого тела, м3; Е — модуль упругости, Па; Р — olа; AI ~ allE\ V — I3; е = = ДШ — относительная деформация (А/ — упругая деформация, м; I — обобщенный линейный размер тела, м). В. Л. Кирпичев предложил эту зависимость раньше Ф. Кика, основываясь на теории подобия: Ах _ __Мг Аг ~ Va - Мг ’ где М-i и — массы тел. Вторую гипотезу измельчения называют законом Кирпичева — Кика. Работа А равна произведению силы Р на путь S, который при измельчении равен абсолютной деформации тела. Так как деформация тела по закону Гука пропорциональна его линейным размерам I, то S* In . _Рп___11_. Лп PnSn Vn___ $т Im    Pm IjL '    Рт$т Vm t'JL m    tn Из закона Кирпичева — Кика следует, что усилия, необходимые для измельчения, прямо пропорциональны площадям поперечных сечений, а затрачиваемая работа — объемам тел. Работа измельчения одного куска размером D при этом будет где — коэффициент? пропорциональности.
Измельчение материала со средним размером кусков Dcp требует работы:
А = k2D3Ep -ft*.....=s ka —; при = k3 A = kaM.
PDcp    p    p
Если общая степень измельчения, равная i = Dop/dop, достигается за п стадий дробления и в каждой стадии частная степень измельчения одинакова и равна г, то i = г", а работа на каждой стадии измельчения одинакова и равна А% — k9M. Общая работа А = J] At = tik^M, где л = lg it lg г. Принимают fes/lg г — kK и получают формулу закона Кирпичева — Кика
А = kKM lg£>cpAiop.
Считают, что гипотезы Кирпичева — Кика и Риттингера спра-
2СДЛИ2П ДЛИ р22НЬ!Х СТ^ДИ* гтчмрттт,чрния ГИПОТРЧЯ Кирпичева — Кика определяет энергию, затрачиваемую на упругую деформацию материала, и не учитывает вновь образованной поверхности, и потому справедлива для процессов дробления, где основная энергия тратится на деформацию материала. Гипотеза Риттингера не учитывает затраты энергии на упругую деформацию и подходит для процессов помола, где преобладает истирание с интенсивным образованием новых поверхностей.
П. Ребиндер в 1940 р. предложил формулу расхода энергии при измельчении, в которой объединены работа, затрачиваемая на деформацию разрушаемых кусков, и работа, затрачиваемая на образование новых поверхностей:
А = k AV + в AF,
где А, а — коэффициенты пропорциональности; Д V — объем деформируемого тела; AF — площадь вновь образованной поверхности.
Формула не получила распространения ввиду отсутствия надежных рекомендаций по определению коэффициентов пропорциональности.
В 1951 г. Ф. Бонд выдвинул гипотезу, названную третьей гипотезой измельчения, в которой объединены две первые гипотезы:
где kg — коэффициент пропорциональности.
А. К. Рундквист, преобразовав данную формулу для случая измельчения материала, пришел к обобщенному выражению:
A = kр (Г”1 - 1)
Исследования НПО «ВНИИстройдормаш» показали, что с учетом дополнительных факторов, действующих з реальных условиях, последняя формула может быть приведена к виду, пригодному для расчета мощности привода дробилок. Установлено, что применительно к процессу дробления в щековых дробилках
Обобщающая гипотеза дробления. Более общая гипотеза измельчения может быть сформулирована на основе развития положений В. Кирпичева о применении теории подобия к анализу процесса дробления. Развитие гипотез дробления основывается на рассмотрении более общего исходного положения, что сопротивление при дроблении определяется не только видом (природой) сил, но и характером приложения разрушающих сил к дробимому телу и вероятностью появления соответствующих сопротивлений [3]. Важно учитывать и возможность применения для анализа процесса принципа независимости сил.
На основании этих положений общая сила сопротивления при разрушении твердого тела может быть определена в виде суммы сил:
^сопр. др — PiPi + Р 2Р2 + РзРа + PiPn
где Pi — сила сопротивления, обусловленная проявлением сил, пропорциональных объему дробимого тела; Ръ — сила сопротивления, обусловленная действием поверхностных сил, которые характеризуются предельными значениями сил сцепления между структурными элементами тела и пропорциональны площади дробимого тела; Р8 — сила сопротивления, пропорциональная единице длины и действующая в области ребра элемента; Р& — силы сопротивления, действующие сосредоточенно и при вершинах элементов, не зависящие от размеров тела и определяющиеся процессом смятия; рх, ра, р8, р4 определяют вероятности появления соответствующих сил в процессе дробления.
Степень проявления каждого вида сил изменяется в процессе измельчения тела. Ограничением гипотезы является требование сохранения качественного подобия процесса разрушения дробимых тел при изменении их линейных размеров в процессе дробления.
Если известны силы сопротивления дроблению на завершающем этапе измельчения, то силы сопротивления дроблению исходного продукта на основании теории ■ подобия можно определить по формуле
Р = P«in,
где Р — сила сопротивления дроблению исходного продукта, Н; Рк — сила сопротивления измельчению конечного продукта на конечном этапе, Н; i — степень измельчения, i = «icpi/^cpa (^cpi — средний размер исходного продукта, м; dcpj — средний размер конечного продукта дробления, м); п — показатель степени, экспериментальная величина.
Энергия
ЛдР = PJn М,
где Д/ — перемещение при дроблении, м.
Сила сопротивления измельчению
Показатель степени и зависит от величины и вероятности появления сил сопротивления различного вида и степени измельчения:
п = lg В!lg i,
где В = (PiPi + Р2Р2 + РаРз + РiPi)/Рк-
Перемещение (м) на основании гипотезы линейно деформируемого тела
А/ === adCJ)1/Е д,
где a — предел прочности, МПа; Еп — модуль деформации, МПа.
Энергия дробления
Лдр = Р н^ср
Средние за процесс значения величин Ргръ Р2р2> РзРа, Pipi могут быть оппелелены экспериментально для каждого конкретного материала путем дробления кусков различного размера произвольной формы в лабораторных условиях. Величины Pt могут быть определены на основании теорий прочности. Однако расчет вероятностей их появления встречает существенные трудности. Поэтому экспериментальный метод следует считать более предпочтительным.
Энергия дробления зависит от степени измельчения, показатель степени при которой — переменная величина и может изменяться от 3 до 0. Анализ полученных выражений показывает, что показатель п зависит от характера действующих сил и их приложения, вероятности появления сопротивлений, степени дробления, а также от прочностных свойств дробимого материала. Если размеры конечного продукта сопоставимы с размерами исходного материала, доминируют силы Р2. Силы тяжести Рг также могут оказывать влияние на сопротивление дроблению. В этом случае 3 >п$а2. Для среднего дробления доминирующими могут оказаться силы Р2 и Р3, пропорциональные линейным размерам в квадрате и в первой степени. В этом случае 2 ^ п ^ 1. Для тонкого измельчения доминируют силы Р4 и Р3, первая из которых не зависит от линейных размеров и определяется сопротивлением смятия материала в точках контакта. В этом случае 1 ^ п ^ 0.
Обобщенная гипотеза может быть положена в основу анализа методов, направленных на повышение эффективности процесса измельчения и выявления условий для интенсивного воздействия сил разрушения на каждый элемент исходного продукта, работы в узком диапазоне изменения исходного гранулометрического состава и расположения зерен дробимого материала тонким слоем; максимального количества точек контакта между телами; существенного увеличения количества зон активного воздействия на измельчаемый материал в единицу времени; получения необходимых сил воздействия дробящего тела на разрушаемый материал и изменения в заданных пределах развиваемых условий и характера их воздействия; высокой технической и технологической надежности при минимальной загрязненности продукта; минимального расхода материальных и энергетических ресурсов. Существующие методы измельчения требуют дальнейшего совершенствования. Создание новых систем требует более детального теоретического и экспериментального анализа процесса измельчения на различных его стадиях.
Классификация методов и машин для измельчения материалов. В зависимости от назначения и принципа действия машин, предназначенных для измельчения материалов, используются следующие методы разрушения: раздавливание (рис. 5.3, а), ударное воздействие (рис. 5.3, б), раскалывание (рис. 5.3, в), излом (рис. 5.3, г), истирание (рис. 5.3, д). При этом одновременно могут реализоваться несколько методов, например раздавливание
Рис. 5.3. Схемы основных методов механического измельчения:
а — раздавливание; б — удар; в — раскалывание; г излом; д —■ истирание; е —« схема разделения куба на части при дроблении
и истирание, удар и истирание и др. Необходимость в различных методах измельчения, а также в различных по принципу действия конструкциях и размерах машин для измельчения вызывается многообразием свойств и размеров измельчаемых материалов, а также различными требованиями к крупности готового продукта. Применяемые для измельчения машины разделяют на дробилки и мельницы.
I    I х/Лг-—~~£t^ 1
e)
Дробилки по принципу действия разделяют на щековые (рис. 5.4, а), в которых материал подвергается раздавливанию, раскалыванию и частично истиранию между двумя плитами-щеками при их периодическом сближении; конусные (рис. 5.4, б), в которых материал разрушается в процессе раздавливания, излома и частичного истирания между двумя коническими поверхностями, одна из которых движется эксцентрично по отношению к другой, осуществляя непрерывное дробление материала; валковые (рис. 5.4, в), в которых материал раздавливается между двумя валками, вращающимися навстречу один другому (иногда валки вращаются с разной частотой и тогда раздавливание материала сочетается с истиранием); ударного действия, которые, в свою очередь, бывают молотковыми (рис. 5.4, г) и роторными (рис. 5.4, д); в молотковых дробилках материал измельчается в основном ударом шарнирно подвешенных молотков, а также истиранием, в роторных дробление осуществляется за счет удара жестко прикрепленных к ротору бил, удара материала об отражательные плиты и ударов кусков материала один о другой. Ряд измельчающих машин (бегуны и дезинтеграторы) можно отнести к дробилкам и к мельницам, так как их применяют для грубого помола и для мелкого дробления. Мельницы по принципу действия разделяют на барабанные (рис. 5.4, е—з), в которых материал измельчается во враща- циклон
а - щековая дробилка; б - конусная; в - валковая; >дарного действия: г - молотко-вая дробилка; д — роторная для помола каменных матьриалов. мельницы: е — вращающиеся с мелющими телами; яс — вибрирующие с мелЮЩИми хелами: з — истиранием частиц материала друр о друга; и — среднеходные ролцКОВЬ1е; к _ ударнае. Л _струй-

Рис. 5.4. Схемы принципов действия машин для дробления:

ИЙЦемся (рис. 5.4, ё) или вибрирующем (рис. 5.4, ж) барабане помощью загруженных в барабан мелющих тел или без них дарами и истиранием частиц материала один о другой и о футе-Овку барабана (рис. 5.4, з); среднеходные, в которых материал эмельчается раздавливанием и частичным истиранием менаду «ким-либо основанием и рабочей поверхностью шара, вал^а, олика (в ролико-маятниковой мельнице (рис. 5.4, и) ролик понимается центробежной силой к борту чаши и измельчает материал, попадающий между бортом и роликом); ударные рис. 5.4, к), в которых материал измельчается ударом шарнирных [Ли жестко закрепленных молотков (продукт, достигший оп^е-еленной тонины помола, выносится из зоны действия молотков оздушным потоком); струйные (рис. 5.4, л), где материал измельчается в результате трения и соударения частиц материала одНа 6 другую, а также о стенки камеры при движении частиц ц0д действием воздушного потока, имеющего большую скорость. Перечисленные способы измельчения относятся к методу ме\а-Шического измельчения под воздействием рабочего органа на ркатериал или частиц материала одна на другую. Существуют Цетоды измельчения материалов, основанные на других физических явлениях: с помощью электрогидравлического эффекТа /Путем осуществления высоковольтного разряда в жидкости, ультразвуковых колебаний, быстросменяющихся высоких и низкИх Температур, лучей лазера, энергии струи воды и др. Машины для измельчения материалов должны иметь простую '«Конструкцию, обеспечивающую удобство и безопасность обслуживания; минимальное число изнашивающихся легко заменяемых деталей; предохранительные устройства, которые при превышении допустимых нагрузок должны разрушаться (распорные плитЫ( •Срезные болты и др.) или деформироваться (пружины), предотвращая поломки более сложных узлов. Конструкция должна отвечать санитарно-гигиеническим нормам звукового давления, вибрации и запыленности воздуха. Щековые дробилки. Щековые дробилки применяют для крупного и среднего дробления. Принцип работы щековой дробилки Заключается в следующем. В камеру дробления, имеющую фор^у клина и образованную двумя щеками, из которых одна в большинстве случаев является неподвижной, а другая подвижнрй, подается материал, подлежащий дроблению. Клинообразная форма камеры дробления обеспечивает расположение более крупных кусков материала сверху, менее крупных — внизу. Подвижная щека периодически приближается к неподвижной. При сближении щек (ход сжатия) куски материала подвергаются дроблению. При отходе подвижной щеки (холостой ход) куски материала подвигаются вниз под действием силы тяжести и Занимают новое положение или выходят из камеры дробления, если их размеры стали меньше наиболее узкой части камеры, называемой выходной щелью. За^еч цикл повторяется. Рис. 5.5. Кинематические схемы щековвш дробилок: а *в— о простым и б » сложным движением подвижной щеки; I станина; 2 —» неподвижная и 3 *— подвижная дробящие плиты; 4 *— ось подвижной щеки; б *-• подвижная щека с простым движением; 6 *— передняя распорная плита; 7 задняя распорная плита; 8 ■- шатун; 9 эксцентриковый вал шатуна; 10 «— механизм регулирования размера выходной щели; 11 устройство силового замыкания звеньев механизма подвижной щеки; 12 <—• распорная плита; 13 подвижная щека со сложным движением; 14 «-« эксцентриковый вал подвижной щека со сложным движением В зависимости от кинематических особенностей механизма щековые дробилки разделяют на две основные группы: дробилки с простым движением подвижной щеки, у которых движение подвижной щеки осуществляется от кривошипа, при этом траектории движения точек подвижной щеки представляют собой части дуги окружности; дробилки со сложным движением подвижной щеки, у которых кривошип и подвижная щека образуют единый элемент, в этом случае траектории движения точек подвижной щеки представляют собой замкнутые кривые, чаще всего эллипсы.
В дробилке с простым движением (рис. 5.5, a) подвижная щека подвешена на неподвижную ось. Шатун дробилки верхней головкой шарнирно соединен с приводным эксцентриковым валом. Внизу в шатун шарнирно упираются две распорные плиты, одна из которых противоположным концом упирается в нижнюю часть подвижной щеки, другая — в регулировочное устройство. При вращении эксцентрикового вала подвижная щека получает кача-тельное движение по дуге окружности- с центром в оси подвеса. Наибольший размах качания (ход сжатия) имеет нижняя точка подвижной щеки. За ход сжатия подвижной щеки' принимают проекцию траектории движения данной точки на нормаль к неподвижной щеке. Срок службы дробящих плит при прочих равных условиях зависит от вертикальной составляющей хода. На дробилках с простым движением при малой вертикальной составляющей хода сжатия дробящие плиты служат больше, чем на дробилках go сложным движением, где этот ход больше. Схема o6eG- Рис. 5.6. Щековая дробилка со сложным движением щеки печивает большой выигрыш в силе в верхней части камеры дробления (рычаг второго рода). Недостатком дробилок с простым движением является малый ход сжатия в верхней части камеры дробления. Сюда попадают крупные куски материала, для надежного захвата и дробления которых необходим большой ход. В дробилках со сложным движением (рис. 5.5, б) подвижная щека шарнирно подвешена на эксцентричной части приводного вала. Внизу подвижная щека шарнирно опирается на распорную плиту. Другим концом распорная плита опирается на регулировочное устройство. Эта дробилка проще по конструкции, компактнее и у нее меньшая металлоемкость. Траектория движения подвижной щеки представляет собой замкнутую кривую. В верхней части камеры дробления эта кривая — эллипс, приближающийся к окружности, в нижней части — сильно вытянутый эллипс. Главным параметром щековых дробилок является В х L — произведение ширины В приемного отверстия на длину L камеры дробления. Ширина приемного отверстия — расстояние между дробящими плитами в верхней части камеры дробления в момент максимального отхода подвижной щеки. Этот размер определяет максимальную крупность кусков, загружаемых в дробилку: = 0,85 В. Длина камеры дробления L определяет, сколько кусков диаметром Dmax может быть загружено одновременно. Важным параметром щековой дробилки является также ширина b выходной щели. Она определяется как наименьшее расстояние между дробящими плитами в камере дробления в момент максимального отхода подвижной щеки. Ширину выходной щели можно изменять регулировочным устройством. Это позволяет изменять крупность готового продукта или поддерживать крупность постоянной независимо от степени износа дробящих плит. Станина щековой дробилки со сложным движением подвижной щеки (рис. 5.6) сварная. Ее боковые стенки соединены между Рис. 5.7. Дробящая плита (а) и параметры'рифления для плит с трапецеидальной (б) и треугольной формой рифлений (б) собой передней стенкой 1 коробчатого сечения и задней балкой 4• Последняя также является корпусом регулировочного устройства-Над приемным отверстием укреплен защитный кожух 2, предотвращающий вылет кусков породы из камеры дробления. Подвижная щека 9 представляет собой стальную отливку, которая расположена на эксцентричной части приводного вала 3. В нижний паз вставлен сухарь для упора распорной плиты 8. Другим концом распорная плита упирается в сухарь регулировочного устройства 5 с клиновым механизмом. Замыкающее устройство состоит из тяги 7 и цилиндрической пружины 6. Натяжение пружины регулируют гайкой. При ходе сжатия пружина сжимается. Стремясь разжаться, она способствует возврату щеки и обеспечивает постоянное замыкание звеньев шарнирно-рычажного механизма — подвижной щеки, распорной плиты, регулировочного устройства. Предохранительное устройство представляет собой распорную плиту, которая ломается при нагрузках, превышающих допустимые (например, при попадании в камеру дробления не-дробимых предметов). Более рациональными являются предохранительные устройства, которые не разрушаются при повышении нагрузок. Такие устройства бывают пружинными, фрикционными, гидравлическими. Жесткость пружин должна обеспечивать работу дробилки при обычных нагрузках. При попадании в камеру дробления недробимых предметов пружины сжимаются на величину, необходимую для поворачивания эксцентрикового вала при остановившейся подвижной щеке. В щековых дробилках применяют гидравлические предохранительные устройства, позволяющие перейти к нормальному режиму работы автоматически, без остановки дробилки. Существуют предохранительные устройства, в которых использован гидропневматический аккумулятор. При перегрузке жидкость перетекает из цилиндра в аккумулятор через отверстие с относительно большим сечением, что обеспечивает быстрое срабатывание устройства. Обратно в цилиндр масло проходит через канал с уменьшенным проходным сечением, постепенно восстанавливая первоначальное положение. Для регулирования ширины выходной щели в щековых дробилках применяют обычно клиновой механизм. Дробящие плиты 10 и 11 являются основными рабочими органами щековых дробилок. Они сменные быстроизнашивающиеся. Расход металла на дробящие плиты составляет около одной трети всех расходов на дробление. Плиты щековых дробилок изготовляют из высокомарганцовистой стали, обладающей высокой износостойкостью. Конструкция дробящей плиты определяется ее продольным и поперечным профилями (рис. 5.7). Рабочую часть плиты делают рифленой и редко для первичного (грубого) дробления — гладкой. От продольного профиля дробящих плит зависит угол захвата, величина криволинейной или параллельной зоны и другие параметры камеры дробления, влияющие на процесс дробления. Рифления трапецеидальной формы (тип I) применяют для предварительного дробления в дробилках с приемным отверстием шириной 250 и 400 мм; рифления треугольной формы (тип II) используют для предварительного дробления в дробилках с приемным отверстием шириной 500 мм и более и для окончательного дробления в дробилках с приемным отверстием шириной 250, 400 и 600 мм. Шаг t и высоту h рифлений (м) для обоих профилей в зависимости от ширины b выходной щели рекомендуется определять по выражению t = 2h = b. Расчет основных параметров щековых дробилок. Исходными данными для расчета дробилок являются заданный типоразмер дробилки В X L, максимальная крупность кусков в исходном материале Dmax, требуемая максимальная крупность готового продукта d„мх, прочность материала стсж и производительность П. Рис. 5.8. Схема захвата дробимого
Ширина приемного отверстия (м) должна обеспечить свободный npwPM к-усков максимальной крупности: В Dm„/0,85. Для дробилок, работающих в автоматических линиях, ширина (м) В Ss DmJ0,5. Ширина в (м) выходной щели при использовании стандартных дробящих плит связана с максимальной крупностью кусков в готовом продукте зависимостью b = dmaxf 1,2. Угол захвата, т. е. угол между неподвижной и подвижной щеками (рис. 5.8, а), должен быть таким, чтобы находящийся между ними материал при нажатии разрушался и не выталкивался наверх. На кусок, зажатый между щеками, действуют усилия Р и равнодействующая R (Н) этих усилий, причем R = 2Р sin а/2. Силы трения, вызванные сжимающими усилиями, действуют на кусок материала против направления его относительной скорости, поэтому при выталкивании куска вверх они будут направлены вниз. Массой куска пренебрегают. Кусок материала при сжатии не будет выталкиваться вверх, если удерживающие силы F, вызываемые силами трения, будут больше или равны выталкивающей силе R: 2fP cos а/2 ^ 2Р sin а/2 или / ^ tga/2. Введя вместо коэффициента трения / равную ему величину tg ф, где ф —- угол трения, получим tg Ф ^ tg a/2 или 2ф ^ си. Дробление возможно тогда, когда угол захвата равен или меньше двойного угла трения a «5 2ф. Если a > 2ф, то кусок будет выжат вверх и не раздавлен. Исследования показали, что угол 18—19° обеспечивает работу крупных щековых дробилок в тяжелых условиях: увеличение угла захвата приводит к снижению производительности, уменьшение угла захвата вызывает увеличение размеров и массы дробилки. Ход подвижной щеки или ход сжатия материала определяет ее основные технико-эксплуатационные показатели. Ход щеки 5 должен быть не меньше необходимого хода сжатия материала до разрушения (м): S > &D, где е = ост/Е — относительное сжатие (асж — напряжение сжатия, Па; Е — модуль упругости, Па); D —■ размер куска, м. Оптимальные значения хода сжатия (м) для щековых дробилок с различной кинематикой определены экспериментально. Для дробилок со сложным движением Sbx = (0,06 -т~ 0,03) В] 5Н = 7 + 0,10Ь; для дробилок с простым движением 5Вх = (0,01 -ь 0,03) В; SH = 8 + 0,26b, где В, b — размеры приемного отверстия и выходной щели, м; SBX — ход сжатия в верхней точке камеры дробления, м; SH — ход сжатия в нижней точке, м. Частота вращения эксцентрикового вала или число качаний подвижной щеки должны быть оптимальными. Их определяют исходя из анализа движения материала в нижней части камеры дробления (рис. 5.8, б). Принимают b = е + SH, где е — расстояние между дробящими плитами в момент их максимального сближения; 5Я — ход подвижной щеки в нижней точке камеры дробления. За время отхода подвижной щеки от неподвижной кусок под действием силы тяжести должен опуститься на А и выйти из камеры дробления. Поэтому частота вращения эксцентрикового вала должна быть такой, чтобы время t отхода щеки было равно времени, необходимому для прохождения свободно падающим телом пути А. При большей частоте вращения вала дробилки кусок материала не успеет выпасть из дробилки и вторично поступит в контакт с дробящими плитами. Если частота вращения будет меньше необходимой, то уменьшится число выпадающих кусков в единицу времени и соответственно производительность дробилки. Частота вращения эксцентрикового вала п, об/с, время отхода щеки равно времени половины оборота, т. е. t — 0,5In с. Из рис. 5.8, б следует, что А = 5H/tg а, где а — угол захвата. По закону свободного падения путь А, пройденный телом за время t, равен А = gf!2, где g — ускорение свободного падения. Из ,    et2 SH равенства выражении для А получают    откуда t = _ / <2SH \i/2 0,5    * ~ \ gt g « / _ п Следовательно, необходимая частота вращения вала (об/с) Формула не учитывает действия силы трения кусков материала один о другой и о дробящие плиты. Поэтому в формулу вводят поправки. НПО «ВНИИстройдормаш» предложил следующие эмпирические зависимости для расчета частоты вращения вала щековых дробило^ со сложным и простым движением подвижной щеки, учитывающие влияние силы трения материала о дробящие плиты: для дробилок с шириной приемного отверстия В = 600 мм и менее п = 17Ь~0'3 об/с (где b в миллиметрах); для дробилок с шириной приемного отверстия В = 900 мм и более п = 13Ь~°'% об/с. Производительность щековых дробилок определяют исходя из условия, что разгрузка материала из выходной щели дробилки происходит только при отходе подвижной щеки и при этом за один оборот вала из дробилки выпадает некоторый объем V (м3) материала, заключенный в призме высотой А (см. рис. 5.8, б). При частоте вращения п вала (об/с) производительность дробилки (м3/с) где р — коэффициент, учитывающий разрыхление материала призмы, по опытным данным ц = 0,4-г-0,45. Объем V (м3) призмы определяется ее параметрами (ем. рис. 5.8, б): высотой А, нижним основанием трапеции, равным е, верхним основанием, равным е + SH = b, и длиной L, равной длине камеры дробления. Площадь трапеции (м2) F = (е -)- Ь) А/2; высота (м) А = SH/tg со; объем (м3) т/_ р т _ (е + 6) V~»L--2 tga * Следовательно, производительность (м3/с) п _ pnSnL (е + Ь) Предложена формула, в которой учитываются некоторые дополнительные параметры, влияющие на производительность: _ cSavLbn (В + Ь) ~ 2£>optga где с — коэффициент кинематики, для дробилок с простим движением с = 0,84, для дробилок со сложным движением с= 1; Scp — средний (эквивалентный) ход щеки, м, Scр = (SH + SBX)/2; L — длина приемного отверстия, м; Ь — ширина выходной щели, м; и — частота вращения вала дробилки, об/с; В — ширина приемного отверстия, м; Z)Cp — средневзвешенный размер кусков в исходном материале, м; a — угол захвата, °, Для дробилок с приемным отверстием шириной 600 мм и менее размер кусков Dcp принимают равным ширине В приемного отверстия, для дробилок с приемным отверстием шириной 900 мм и более, работающих на «рядовой» горной массе, £>ср = 0,34-0,4 В. Мощность двигателя (Вт) определяют на основании гипотезы Кирпичева — Кика по формуле кт _ *пр*расжя^п (г,2 Л2 \ --12£rj-' ор — а°Р'* где £пр — коэффициент пропорциональности, учитывающий прочность материала в зависимости от его размеров; kp — коэффициент, учитывающий использование полной длины камеры дробления; асж — предел прочности дробимого материала, Па; L — длина камеры дробления, м; п — частота вращения эксцентрикового вала, об/с; Е — модуль упругости, Па; DCp — средняя крупность кусков в исходном материале, DCp = 0,5£>Шах м; dcp — средняя крупность кусков готового продукта, м. Мощность электродвигателей, полученная по приведенной формуле, для щековых дробилок близка фактической. Для прочных, но хрупких материалов формула дает завышенный результат. Сила Р дробления и место ее приложения являются исходными данными при определении усилий в деталях дробилки. На силу дробления влияет прочность материала и характер разрушения куска породы при дроблении. Основным видом разрушения является разрушение от напряжений растяжения. Дробимый кусок зажимается между ребрами рифлений дробящих плит, а при таком характере нагрузки по плоскости, соединяющей ребра неподвижной и подвижной дробящих плит, в куске возникают растягивающие напряжения, вызывающие его разрушения по этой плоскости. Согласно теории упругости растягивающие напряжения (Па) по сечению куска, сжимаемого между ребер: стр = 2 P/(nF), где Р — сила сжатия, Н; Р — площадь разрыва, ма. Если все дробящее пространство условно заполнено кусками шарообразной формы, то суммарная нагрузка на дробящую плиту (Н) р — ь_- F г др •— к g 1 др> где k — коэффициент, учитывающий разрыхление и одновременность раздавливания в пределах одного качания щеки, k = 0,3-j-0,4; F^ — активная площадь дробящей плиты (участвующей в дроблении), ма. Для пород с пределом прочности не выше 300 МПа принимают максимальную нагрузку, равную 2,7 МН. Учитывая, что в дробилку могут попасть недробимые тела, расчетная нагрузка (МН) должна быть увеличена в 1,5 раза, т. е. Р расч = 1 g F др ИЛИ при k = 0,3 Р расч = 4,1^'др* Нагрузка на дробящую плиту распределяется неравномерно. Для определения усилий в элементах дробилки равнодействующую нагрузку на дробящую плиту принимают условно приложенной к середине дробящей плиты по высоте. В щековой дробилке разрушение материала происходит при приближении подвижной щеки к неподвижной, т. е. примерно в течение половины оборота эксцентрикового вала. Работа дробления совершается как за счет энергии двигателя, так и за счет кинетической энергии маховика. Угловая скорость маховика уменьшается при этом от сошах до comW. При холостом ходе энергия двигателя расходуется лишь на увеличение кинетической энергии маховика и угловая скорость последнего повышается от сошш до aw- Колебания угловой скорости задаются степенью неравномерности вращения маховика 6, для щековых дробилок принимают 6 — 0,015—0,035. Энергия (Дж), накапливаемая маховиком за время холостого хода, равна половине работы дробления. Тогда р _ А _ ^дв’Ч С 2 — 2 п ' где г) = 0,65^0,85. Так как Е = /со|рб = 4/я2п2б, то момент инерции маховика (кг-м2) J = £/4я*л*а. Конусные дробилки. При переработке различных горных пород на всех стадиях дробления широко используют конусные дробилки. В зависимости от назначения их разделяют на дробилки Рис. 5.9. Схемы конусных дробилок крупного (о), среднего и мелкого (б) дробления; конструкция дробилки среднего дробления с опорой подвижного конуса на подшипник качения (в): J = консольный вал; 2 ■=* корпус конуса; 3 «• дробящий конус; 4 —' сменный неподвижный дробящий коиуо; 5 *■» корпус неподвижного конуса; в —* опорное кольцо; 7 — прижимные и предохранительные пружины; 8 «*» коническая шестерня; 9 *» приводной вал; 10 ■“* экоцентри-ковая втулка; Ii — эксцентриковый стакан
Рис. 5.10. Расчетные схемы для определения производительности конусных дробилок крупного (а) и среднего и мелкого (б) дробления; действия сил дробления (в) на подвижный конус для крупного (ККД), среднего (КСД) и мелкого (КМД) дробления. Дробилки ККД характеризуются шириной приемной щели и в зависимости от типоразмера могут принимать куски горной породы размером 400— 1200 мм, имеют разгрузочную щель 74—270 мм и производительность 150—2300 м3/ч. Дробилки КСД принимают куски размером 60—300 мм, размер их разгрузочной щели 12—60 мм, производительность 12—580 м3/ч. Дробилки КМД принимают куски размером 35—100 мм; имеют разгрузочную щель размером 3—15 мм, производительность 12—220 м3/ч. В конусных дробилках материал разрушается в камере дробления, образованной двумя коническими поверхностями, из которых одн^ (внешняя) неподвижная, а другая (внутренняя) подвижная. Кинематические схемы конусных дробилок показаны на рис. 5.9, а (схема ККД) и рис. 5.9, б (схема КСД и КМД). Подвижный конус жестко закреплен на валу, нижний конец которого вставлен в эксцентриковую втулку 4 так, что ось вала образует с осью вращения (осью дробилки) некоторый угол, называемый углом прецессии. У дробилок ККД вал подвижного конуса шарнирно прикреплен сверху к траверсе. Подвижный конус дробилок КСД й КМД опирается на сферический подпятник. Вал конуса не имеет верхнего крепления — это дробилки с консольным валом. Эксцентриковая втулка получает вращение от приводного устройства, при этом подвижный конус получает качательное (гирационное) движение. У дробилок ККД центр О качания находится наверху в точке подвеса, у дробилок с консольным валом он также находится наверху в точке пересечения оси вала и оси дробилки. При работе дробилки ось вала описывает кони-
ческую поверхность с вершиной в точке О. При этом подвижный конус как бы перекатывается по неподвижному через слой материала и осуществляет непрерывное дробление материала. В действительности подвижный конус совершает более сложное движение. Конусная дробилка в принципе работает так же, как и щеко-вая, с той лишь разницей, что дробление в конусной дробилке происходит непрерывно. Привод дробилок мелкого дробления осуществляется одним электродвигателем. На дробилках для крупного дробления устанавливают второй двигатель пуска дробилок, если камера дробления заполнена материалом, т. е. находится «под заваломж Для пуска дробилки «под завалом» гидравлическая опора системы подвижного конуса обеспечивает быстрое опускание конуса и ликвидацию заклинивания материала в камере дробления. Максимальное усилие сжатия дробимого материала в камере дробления машины определяется упругой силой амортизационных пружин. Если усилия дробления превышают расчетные, например, при попадании в камеру дробления недробимых предметов, то пружины дополнительно сжимаются, опорное кольцо вместе с неподвижным конусом приподнимается, разгрузочная щель увеличивается и недробимый предмет выходит из дробилки. Применение гидравлики и гидропневматики повышает надежность работы предохранительного устройства, значительно упрощает и облегчает регулирование разгрузочной щели. Расчет основных параметров. Условия дробления материала в конусных и щековых дробилках подобны, поэтому методы расчета параметров этих машин во многом аналогичны. Угол захвата в конусных дро,билках (рис. 5.10, а), т. е. угол между дробящими поверхностями подвижного и неподвижного конусов, так же как и в щековых дробилках, не должен превышать двойного угла трения 2ф, т. е. р -j- Pi < 2<р. У конусных дробилок крупного дробления угол захвата принимают равным 21—23°; у дробилок среднего и мелкого дробления он составляет 12—18° в зависимости от типа футеровок. Частоту вращения эксцентриковой втулки (об/с) для дробилок ККД определяют так же, как и для щековых, т. е. из условия обеспечения максимального пути h для свободно падающего куска дробимого материала за время t, в течение которого эксцентриковая втулка совершает половину оборота: п = 0,5 У g/(2hj. Из анализа следует, что с = /г tg р, d = h tg р19 с + d = = 5 = 2г = h (tg p + tg px). Следовательно, Тогда    tgp + tgp!* n — 0,78 i^(tg P + tg Pj)/e, где e — эксцентриситет, расстояние от оси дробилки 00 до оси конуса О'О*. Частоту вращения, полученную по приведенной формуле, уменьшают на 10 %, так как фактически материал тормозится 0    стенки конусов и скорость его движения вниз уменьшается. Частоту вращения эксцентриковой втулки дробилок КСД и КМД определяют из условий, что кусок дробимого материала в камере дробления скользит вниз по наклонной поверхности дробящего конуса (силы инерции не учитываются) только под действием силы тяжести; за время прохождения параллельной зоны кусок дробимого материала должен быть хотя бы один раз сжат дробящими поверхностями конусов. Длину параллельной зоны для дробилок среднего дробления принимают равной, как правило, V12,Z), где D — диаметр подвижного конуса, м. В этом случае частота вращения эксцентриковой втулки (об/с) п > 7,5 У (sin у — / cos y)/D . Для конусных дробилок мелкого дробления, имеющих значительно ббльшую длину параллельной зоны, принимают эту же частоту. Производительность конусных дробилок крупного дробления определяют из условия, что за один оборот вала из дробилки выпадает кольцо материала сечением (м2) F — [{z + S) + г] hi2, где г — размер разгрузочной щели — расстояние между дробящими конусами при их максимальном сближении, м. Средний размер выпадающего кольца принимается приближенно равным диаметру подвижного конуса внизу Ds. При этом объем кольца V (м8) 1/ _ о„п (г + е>е V — 2nDB tgp + tgpi . где е — эксцентриситет вала на уровне разгрузочной щели, м; Р, Рх — углы образующих дробящих конусов к вертикали, °. Производительность дробилки (м3/с) n-fVn или где V — объем кольца материала, выпадающий за один оборот втулки, м8; ц — коэффициент рыхления материала; п — частота вращения втулки, об/с. Производительность конусных дробилок среднего дробления рассчитывают при условии, что за один оборот эксцентриковой втулки кусок материала проходит длину параллельной зоны. Тогда за один оборот из дробилки (рис. 5.10, б) выгрузится порция материала объемом (м3) V = nzlDC4, 1    — длина параллельной зоны, м; £>оч — диаметр окружности, описываемой центром тяжести сечения материала, заключенного в параллельной зоне. Для упрощения расчета принимают D04 — D (где D — диа- МРТП ппдяижиого    Тог/тя производительность Дпобилки П = [хя tizlD, где |л — коэффициент рыхления, р, = 0,45. Силу дробления Ря для дробилок среднего и мелкого дробления определяют исходя из условий, создаваемых предварительной затяжкой амортизационных пружин. Считают, что сила этой затяжки при нормальной работе дробилки удерживает верхнюю часть машины (опорное кольцо) в постоянном контакте с корпусом дробилки. Расчетная схема для определения равнодействующей усилия дробления Рп изображена на рис. 5.10, в. Из уравнения моментов всех сил относительно точки А получают п _ (QB -f- Рnzi) R ■'л ~ Lv+fLF > где GB — сила тяжести верхней части дробилки, Н; Рп — усилие предварительной затяжки одной пружины, Н; гг — число пружин; R — расстояние от оси дробилки до точки А, м; Lp, Lp — плечи сил относительно точки А, м; f — коэффициент трения подвижного конуса о дробимый материал. Мощность двигателя рассчитывают исходя из условий, что энергия двигателя расходуется на преодоление моментов равнодействующей сил дробления и трения в опорах [5]. Расчет ведут по эмпирическим формулам. Потребляемая мощность при работе конусной дробилки крупного дробления NдР (кВт) пропорциональна квадрату диаметра основания подвижного конуса D (м), эксцентриситету е (м) в плоскости разгрузочной щели и частоте вращения па эксцентриковой втулки (об/с). При коэффициенте перегрузки кл = 1,5 N№ — l,5iVKp = 1,5-60 kD2en3, где k — коэффициент, характеризующий перерабатываемые породы; для прочных пород k = 24. Мощность двигателя дробилок КСД и КМД (кВт) А/дВ л; 12,6£>апэ. Если известны размеры исходного материала D и готового продукта d, то мощность привода дробилок КСД и КМД можно определить аналогично мощности щековых дробилок. Конусная дробилка имеет две неуравновешенные вращающиеся массы: подвижный конус и эксцентриковую втулку. При работе эти массы создают большие инерционные силы, которые необходимо уравновесить, чтобы уменьшить нагрузки на детали машины и фундамент. Расчет инерционных сил и уравновешивание для конусных дробилок выполняют аналогично расчету и уравновешиванию щековых дробилок [5]. Рис. 5.11. Схемы валковых дробилок: а ►— установка подвижного предохранительного валка; б — кинематическая схема дробилки с валками, связанными один с другим шестернями с удлиненными зубцами; в — с приводом валков от отдельных электродвигателей; г — через редуктор и карданные валы; д — расчетная схема валковой дробилки; 1 — ведущий валец; 2 — ведомый валец; 3 *— пружина; 4 — опора с горизонтальным перемещением; 5 *■** шестерня с удлиненным зубом; 6 карданный вал; 7 <— редуктор Валковые дробилки. Рабочим органом валковой’ дробилки являются вращающиеся цилиндрические валки. Материал подается сверху, затягивается между валками или валком и футеровкой камеры дробления и дробится. Валковые дробилки применяют для среднего и мелкого дробления материалов в основном средней прочности (до стсж = 150 МПа) на гладких и рифленых валках и мягких (до асж = 80 МПа) — на зубчатых валках. По конструктивному исполнению валковые дробилки бывают одно-, двух- и четырехвалковые (рис. 5.11). В последнем случае одна пара валков располагается над другой. Поверхности валков бывают гладкие, рифленые, ребристые и зубчатые. Сочетания дробящих' поверхностей могут быть различными: например, оба валка могут иметь гладкую поверхность, или один гладкую, другой рифленую и др. Валковые дробилки традиционного исполнения имеют небольшую производительность и неравномерный износ поверхности бандажей по длине валка, что затрудняет поддержание зазора между валками в необходимых пределах. Трудоемким в изготовлении и эксплуатации является узел специальной зубчатой передачи вращения от одного валка к другому. Максимально возможный размер (диаметр d) куска материала, подлежащего дроблению, зависит от диаметра D валка. Чем больше диаметр валка, тем больше может быть кусок исходного материала и степень дробления. Чем меньше длина валка, тем равномернее износ рабочей поверхности и меньше нагрузка на детали дробилки. Длина валков дробилки бывает меньше диаметра, равна ему или больше. Валковые дробилки эффективно перерабатывают материалы, склонные к налипанию или содержащие липкие включения. Налипший на поверхность валков материал срезается очистными скребками и отводится в сторону. Применение конусных дробилок в этих условиях вызывает частые простои, связанные с длительной и трудоемкой работой по очистке камеры дробления. Конструкция валковых дробилок и их обслуживание проще конструкции и обслуживания конусных дробилок. Наиболее распространены двухвалковые дробилки (рис. 5.11, 5). Валки вращаются навстречу один другому и дробят попавший между ними материал, раздавливая его при этом и частично истирая. Подшипники вала одного из валков опираются на пружины и могут перемещаться. При попадании недробимого предмета один валок может отойти от другого и пропустить недробимый предмет, после чего под действием пружин возвратиться в исходное положение. Привод валков осуществляется от двигателя через клиноременную, шестеренчатую или цепную передачи. Приводится во вращение один валок, другой связан с первым шестернями с удлиненными зубьями или цепной передачей, допускающими отход валков при пропуске недробимых предметов (см. рис. 5.11, а). Такое кинематическое решение сложно, оно не обеспечивает нормальную работу шестерен с удлиненными зубьями в условиях динамических нагрузок и абразивной пыли. В последнее время стали делать привод каждого валка от электродвигателя (см. рис. 5.11, б) или через редуктор и карданные валы (см. рис. 5.11, в). Существенное усовершенствование узла привода и передачи вращения с одного валка на другой достигается при использовании для передачи вращения в двух- и трехвалковых дробилках комплекта автомобильных колес, которые за счет деформации шин обеспечивают надежное сцепление при изменении расстояния между осями валков. Для переработки глиняной массы и удаления из нее камней применяют так называемые дезинтеграторные вальцы. В валковых дробилках изнашивается средняя часть бандажей (по длине), поэтому крупность дробленого продукта получается неравномерной. Расчет основных параметров. Угол захвата в валковых дробилках — это угол между двумя касательными к поверхности валков в точках соприкосновения с дробимым материалом. На кусок дробимого материала (см. рис. 5.11, 5), имеющего форму шара и массу т, которой ввиду ее малости пренебрегают, действуют нормальные силы Р от обоих валков и силы трения, равные fP (где f — коэффициент трения материала о валок). Аналогичная схема сил действует и на другой валок. Кусок затягивается валками, если 2Pf cos а^2Р sin а или f ^ tg а. Но f = tg ф, значит а ^ ф. Так как р = 2а, то р «I <3 2а. Угол захвата у валковых дробилок для нормального процесса дробления не должен превышать двойного угла трения, так же как для щековых и конусных дробилок. Размер куска, захватываемого валками, можно определить исходя из условия, что при известных диаметре D валка, диаметре d куска материала и ширине а — выходной щели, имеет место соотношение ("F + т) cos “ == ~Т + ТГ или (D+d)cosa = D-j-a. При делении правой и левой части уравнения на d получают / D . , \    D 4- а (т+ l)cosa = — Так как степень измельчения в валковых дробилках в среднем равна 4, то a]d — 0,25: D _ cos a — 0,25 d    1 — cos a Для прочных пород принимают коэффициент трения / = 0,3, для влажной глины / = 0,45. При таких значениях / угол а будет соответствовать 16° 40' и 24° 20', а для прочных пород D/d = 17, для влажных глин D/d = 7,5. Обычно для гладких валков принимают D/d = 20, для зубчатых и рифленых валков D/d = 2-S-6. Частота вращения валка п определяет надежный захват куска материала без повышенного скольжения. Частота вращения валков (об/с) п <з 102,5/ТДрНО), где f — коэффициент трения материала о валок; d — диаметр куска исходного материала, м. Для уменьшения износа бандажей и более устойчивой и спокойной работы валковой дробилки окружная скорость валков должна быть 2—7 м/с. Для определения пШп и пшах частоты вращения валков рекомендуют следующие эмпирические зависимости: пШп = 1 /D и птах = = 2/D.    ' Производительность валковых дробилок вычисляют, представляя процесс дробления как движение ленты из дробимого материала между валками. За один оборот валка объем ленты материала (м3), прошедший через выходную щель: где D — диаметр валка, м; L — длина валка, м; а — ширина выходной щели, м. При частоте вращения валка п (об/с) производительность дробилки (м*/с) П = \inDLan. Для прочных материалов принимают ц = 0,2-ь0,3, для влажных вязких = 0,4-Н),6. При работе машины на прочных материалах под действием усилий дробления предохранительные пружины несколько деформируются и валки расходятся. Поэтому в расчетах ширину выходной щели принимают равной 1,25а. В формулу вводят также плотность р (кг/м3) дробимого материала. Тогда производительность валковой дробилки (кг/с) П = l,25iuDLannp. Сила Р (Н) дробления зависит от нагрузки, которая создается пружинами предохранительного устройства. Среднее значение этой нагрузки, зависящей от многих факторов, вычисляют приближенно: Рс$ ~ oomF\h = acmLl\), где осж — предел прочности материала на сжатие, Па; р. — коэффициент разрыхления материала, для прочцых пород ц. = 0,2н-0,3, для глины р, — 0,4н-0,6; L — длина валка, м; / — длина дуги валка на участке измельчения материала, м, I — Ra (R — радиус валка, м; а — угол, соответствующий дуге длиной I, рад). При дроблении прочных материалов а == 16° 40', I = 0,29R; при переработке глин а = 24° 20', / = 0,43./?. В расчетную формулу необходимо дополнительно ввести коэффициент Я, учитывающий одновременность раскалывания. Для пород средней прочности и -прочных Я 0,02. С учетом Я среднее усилие дробления (Н) Рор = oLl\ik. При захвате валками кусков материала Рор вызывает силу трения, равную / Рср (где / — коэффициент трения, / = 0,3ч-0,45). Мощность двигателя NaB валковой дробилки с учетом затрат мощности на преодоление всех сопротивлений при работе машины #дВ = (Nj, + ад, где Ni, — мощности, расходуемые соответственно на дробление с учетом трения материала о валок и на трение в подшипниках; т) — КПД передачи, г]= 0,95. С учетом Р0р мощность, необходимая для дробления (Вт): N\ — 2 л noLi\ikfR, а мощность, необходимая на преодоление трения в подшипниках двух валков (Вт): Л^2 — 2nndmf1G* где dm — диаметр шейки валка, м; — коэффициент трения качения, приведенный к валу, /х= 0,001; G — нагрузка на подшипники, Н, G = УQ2 + Pep (Q — сила тяжести валка, Н). Следовательно, А/дВ = 2nn {aLl\ikfR -f    т|. Если фактическая степень дробления известна, то необходимую мощность электродвигателя можно определить, пользуясь формулой, рекомендованной для определения мощности электродвигателя щековой дробилки. Бандаж валка делают из отдельных секторов, что позволяет быстро, не разбирая дробилки, замеяять износившиеся его части. Бандажи изготовляют из марганцовистой стали. Для переработки глиняной массы и удаления из нее камней применяют так называемые дезинтеграторные вальцы. Они состоят из двух валков: валок большего диаметра имеет гладкую поверхность; валок меньшего диаметра на рабочей поверхности имеет ребра высотой 8—10 мм. Частота вращения ребристого и гладкого валков соответственно 8,3—10 и 0,8—1 об/с. Для переработки глиняной массы предназначены также дырчатые вальцы конструкции ВНИИстройдормаша. Они состоят из тихоходного и быстроходного валков, каждый из которых приводится во вращение от отдельного электродвигателя через редуктор (быстроходный валок) и через редуктор и зубчатую передачу (тихоходный валок). Дробилки ударного действия. В дробилках ударного действия материал разрушается под действием механического удара, при котором кинетическая энергия движущихся тел полностью или частично переходит в энергию их деформации и разрушения. В этих дробилках возникающие усилия дробления в основном уравновешиваются силами инерции массы самого куска. Дробилки ударного действия применяют в основном для измельчения малоабразивных материалов средней прочности (известняка, доломитов, мергеля, угля, каменной соли и др.). В некоторых случаях дробилки ударного действия используют и при переработке материалов с повышенной прочностью и абразивностью (например, асбестовых руд, шлаков и др.). У этих машин большая степень Б)



Рио. 5.12. Основные схемы молотковых и роторных дробилок: а — однороторные; б — двухроторные одноступенчатого дробления; в <-> двухроторные двухступенчатые; г — реверсивные; 1 — молоток; 2 —» ротор; 3 —• била; 4 —* отражательные плиты; 5 — механизм регулировки зазора между билами и плитами дробления (до 50), что позволяет сократить число стадий дробления; большая удельная производительность (на единицу массы машины); простая конструкция и она удобна в обслуживании; имеет избирательность дробления и более высокое качество готового продукта по форме зерен. По конструкции основного узла — ротора дробилки ударного действия бывают двух основных типов: роторные и молотковые. Роторные дробилки имеют массивный ротор, на котором жестко закреплены сменные била из износостойкой стали. В молотковых дробилках дробление осуществляется за счет кинетической энергии молотков, шарнирно подвешенных к ротору. Материал в дробилки загружается сверху. Падая под действием силы тяжести, он подвергается ударам бил или молотков быстро вращающегося ротора. В результате куски материала разрушаются, их осколки разлетаются широким сектором (около 90°) и отбрасываются на футеровку — отбойные плиты или колосники, образующие камеру дробления. Ударяясь о футеровку, осколки материала дополнительно измельчаются и, отражаясь, снова попадают под удары ротора. Измельченные до определенного размера куски материала высыпаются через разрузочную щель или щели колосниковой решетки. В некоторых случаях кусок материала, получив эксцентричный удар, начинает вращаться вокруг своего центра тяжести со скоростью, близкой к скорости рабочего органа дробилки (примерно 30 м/с) и разрушается под действием центробежных сил, которые в куске материала вызывают напряжения 0Р — 10 МПа, превышающие предел прочности при растяжении для многих горных пород. Разнообразие схем (рис. 5.12, а—г) роторных и молотковых дробилок вызвано различным назначением дробилок. Наиболее распространенными являются однороторные дробилки (рис. 5.12, а). Двухроторные дробилки одноступейчатого дробления (рис. 5.12, б) применяют тогда, когда требуется большая производительность. Оба ротора дробилки работают самостоятельно, и исходный материал поступает равномерно на оба ротора. Двухроторные дробилки двухступенчатого дробления (рис. 5.12, в) применяют тогда, когда необходимо совместить две стадии дробления. Для лучшего использования рабочей поверхности бил и молотков применяют реверсивные дробилки (рис. 5.12, г). Эти дробилки имеют симметричную камеру дробления и могут работать при различных направлениях вращения ротора, что позволяет использовать билы и молотки с двух сторон без переустановки. Главными параметрами дробилки ударного действия являются диаметр и длина ротора, которые входят в ее условное обозначение. Билы и молотки роторных и молотковых дробилок должны обладать высокой износостойкостью, выдерживать большие ударные нагрузки и нагрузки от центробежных сил и легко заменяться. При разработке конструкции бил и молотков обеспечивается возможность их многократного использования. Рис. 5.13. Схема для определения производительности роторной дробилки Расчет основных параметров. Удар по куску дробимого материала в дробилках ударного действия занимает промежуточное положение между упругим и неупругим ударом. Степень приближения к тому или иному виду удара принято характеризовать коэффициентом k восстановления.
Значение коэффициента k определяется отношением разности скоростей тел после удара к разности скоростей тел до удара, т. е. где v-i — скорость движения тела 1 массой т1 (ротор) после удара; и2 — скорость движения тела 2 массой щ (дробимый материал) после удара; v0 — скорость движения тела 1 до удара; v'0 — скорость движения тела 2 до удара. Если k = 1, удар называется упругим, если k = О — неупругим. Все промежуточные случаи называют упруго-пластичным ударом. Экспериментами установлено, что при разрушении камня ударом количество энергии (Дж), отдаваемой камню, где кг — 0,9-И),95. Учитывая, что в роторных дробилках масса ротора тх значительно больше массы камня т2 и отношение т2/т1 можно принять равным нулю, получим А = 2kim2vl- Дробление материала в ударных дробилках начинается только при сообщении ему определенной энергии. Критерием оценки эффективности ударного воздействия по камню является С — константа, характеризующая горную породу (определяется опытным путем). Если для данной горной породы она меньше своего постоянного значения, то камень не раз-рущается; если больше, то удар происходит с разрушением, т. е. С < dv2, где d — размер частицы; v — скорость удара; г — показатель степени, по опытным данным г < 2. Критический размер пувка, ири котором он разрушается [б]: <vio-» ciKp = 230    » где Ор — предел прочности материала при растяжении, Па; р — плотность дробимого материала, кг/м®; ор — скорость удара, принимаемая равной окружной скорости ротора, м/с. Критическую скорость окр для конкретного вида материала и заданной крупности продукта дробления d определяют из приведенного выше соотношения:    _ о*-1,75.10-у'Щ5- Для определения производительности анализируют процесс разгрузки материала из камеры дробления (рис. 5.13). В камере дробления над ротором постоянно находится масса дробимого материала, которая под действием гравитационных сил с некоторой скоростью vB опускается на ротор. Последний при каждом проходе била подобно фрезе отделяет некоторый объем (м3) материала: V = ALph, и8, где А — горизонтальная проекция дуги, м; 1р — длина ротора, м; Л — толщина стружки по вертикали, определяемая как путь свободно падающих кусков за время поворота ротора от одного била до соседнего, м. На основании этого выражения определяют производительность в единицу времени (м3/с): П — ALphnz, где п— астота вращения ротора, об/с; г — число рядов бил [б]. При определении мощности двигателя привода дробилки следует учитывать, что роторные и молотковые дробилки имеют большую степень дробления и производят сравнительно мелкий продукт. Результаты, близкие к фактическим, можно получить вычисляя мощность (Вт) по формуле НПО «ВНИИстройдормаш», разработанной на основе гипотезы поверхностей: у „„яд — 1)3600 ^ср'Пдр'Ппр ’ где Ш'др — энергетический показатель, характеризующий прочность материала, при Ор — 3000 Па Ц7др = 2,53 Вт- ч/м2, при ар — 16 400 Па Й7др = 40 Вт- ч/м2; П — производительность дробилки, м3/с; t — степень дробления; £>ср — средневзвешенный размер исходного материала, м; т)др — КПД дробилки, Г|Др = = 0,75-7-0,95; т)пр — КПД привода, для клиноременной передачи привода дробилки т)пр = 0,92-f-0,96. Мощность двигателей молотковых дробилок (кВт) можно также определять по эмпирическим формулам: Nm = 9D2Lpn или N = (360 -+- 540) Ш, где D — диаметр ротора, м; Lp — длина ротора, м; п — частота вращения ротора, об/с; i — степень дробления; П — производительность, т/с. Установлено, что за один удар кусок материала на частицы менее критического размера не дробится. Необходимо не менее трех ударов, чтобы все частицы продукта дробления были бы не больше критического размера. Крупность продукта дробления контролируется выходной щелью. Для дробилок мелкого и среднего дробления размер щели близок к заданному максимальному размеру drma зерна. Опыты показывают, что размеры кусков, прошедших через колосниковые решетки, достигают 1,5—1,7 зазора между колосниками. Поэтому при настройке дробилки на режим работы, обеспечивающий выход продукта крупностью до dmax, зазор (мм) определяют по формуле 5к = dmu/( 1,5-т-1,7). Для рациональных скоростей ротора 20—40 м/с время соударения камня и била ротора составляет 0,0011—0,0008 с, промежутки времени между отдельными ударами 0,024—0,012 с. Следовательно, энергия ротора дробимому материалу передается за весьма короткое время, а накапливается ротором за время, в десятки раз более длительное (при холостом пробеге ротора). Для расчета момента инерции ротора пренебрегают энергией, получаемой ротором от двигателя в момент удара, и принимают, что вся энергия, поглощаемая камнем, используется только из запаса кинетической энергии ротора и всех вращающихся с ним масс. Запас энергии должен быть достаточным, чтобы скорость ротора при попадании наибольших кусков не уменьшалась больше, чем допускается. Момент инерции ротора /р = SpDp/(2wH6), где Sp — максимальный ударный импульс, Н ■ с; шн — средняя угловая скорость ротора, рад/с; б — неравномерность вращения ротора, представляющая собой отношение разности максимальной и минимальной угловых скоростей ротора, принимаем 6 — 0,01-т-0,03. Для камня массой /п„, имеющего начальную скорость в направлении удара, равную нулю, с ротором, движущимся со скоростью Up и обладающим массой, превышающей массу тк, ударный импульс (Н-с) при центральном ударе Sp = mKvp (1 -f k); при внецентренном ударе с mHVp (1 + k) ~ 1+(е/А)2 ’ где k — коэффициент восстановления; е — эксцентриситет ударной силы относительно центра масс куска, м; г — радиус инерции массы куска, м. Машины и оборудование для помола материалов. Важным технологическим процессом при производстве минерального порошка, цемента, извести, исходного продукта для керамических Рис. 5.14. Схема сил, действующих на барабанную мельницу: I — схема движения шаров в барабане изделий и др. является измельчение различных материалов до частиц размером не более десятых долей миллиметра. Энергоемкость процесса помола большая. Однако на измельчение материалов расходуется лишь часть энергии, потребляемой помольной машиной. Значительная часть ее теряется в виде теплоты, на изнашивание рабочих органов и др. Тонкому измельчению подвергаются большие массы материалов (сотни миллионов тонн). Поэтому важны работы по совершенствованию этого оборудования.
В современном производстве для помола используют барабанные (шаровые и стержневые), среднеходные, ударные, вибрационные и струйные машины. В барабанных мельницах материал измельчается внутри полого вращающегося барабана, в котором помещены мелющие тела (шары, стержни). При вращении барабана мелющие тела и материал сначала движутся по круговой траектории, а затем, отрываясь от стенки, падают по параболе. Помол материала осуществляется в результате истирания при относительном перемещении мелющих тел и частиц материала, а также ударов тел по материалу при падении их с некоторой высоты. Барабанные мельницы классифицируют: по режиму работы на мельницы периодического и непрерывного действия; по способу измельчения — сухого и мокрого помола; по способу загрузки и разгрузки материалов — с загрузкой и разгрузкой через люк, с загрузкой и разгрузкой через пустотелые цапфы, с загрузкой через цапфу и разгрузкой через стенки барабана. Барабан мельницы приводится во вращение через зубчатый венец или через центральную цапфу. Они могут работать в открытом или замкнутом цикле. В последнем случае выведенный из мельницы материал подвергается сортировке (сепарации), и крупные частицы (негабарит) возвращаются в мельницу на до-мол. Шаровые мельницы характеризуются внутренним диаметром барабана и его рабочей длиной. Расчет основных параметров. При небольшой .угловой скорости барабана циркуляция материала не будет интенсивной, так как мелющие тела (шары), поднимаясь на некоторую высоту, скатываются по поверхности контура материала без удара (рис. 5.14). При слишком большой угловой скорости шары, находясь под действием значительных центробежных сил, не будут отрываться от стенок в верхней точке, так как сила инерции Рии превышает силу тяжести G, т. е. Рав > G или mtfR 5» mg. Отсюда критическая угловая скорость (рад/с) ®кР = V g/R. где g — ускорение свободного падения, м/с*; R — радиус удаления шара от центра барабана, м. Оптимальной угловой скоростью считают такую, при которой шар имеет максимальную высоту Н падения, определяемую координатами точки А отрыва шара от стенок и точки В встречи шара после падения с окружностью барабана. Отрыв шара от стенок в точке А будет тогда, когда G cos а ^ ^ Рвд или mg cos а ^ ma?R. Угловая скорость (рад/с) при этом со = Уg cos a/R . Наивыгоднейший угол отрыва шара от поверхности а = = 54° 40'. Подставив значение оптимального угла отрыва в формулу угловсуй скорости со, находят оптимальную угловую скорость барабана (рад/с): “опт = 2.38/-/Т?. Перегружать и недогружать мельницу шарами нерационально. Шары должны занимать 0,3—0,35 объема барабана. При работе барабанных мельниц энергия расходуется на подъем шаров и сообщение им кинетической энергии, так как после падения шаров их окружная скорость равна нулю и шары вновь приходится вовлекать в движение. Работа (Дж), затрачиваемая на подъем шаров: Аг = 1,3 mngR, где тш — масса шаров, кг. Кинетическая энергия (Дж), сообщаемая загрузке: А2 = -Zsf- =    » о,2 mmgR. Суммарная работа (Дж), затрачиваемая на один цикл движения шаров, Ах — Ах -)- А?, = 1,5mmgRi. где Ri — внутренний радиус барабана, м. За один оборот барабана загруженный материал и шары совершают несколько циркуляций. Число циклов условного слоя загруженного материала и шаров радиусом R0 да 0,86R за один оборот барабана z = п/(0,61п) « 1,64. Время цикла t = 0,61/гг. Мощность (кВт) двигателя привода барабанной мельницы с учетом массы измельчаемого материала (принимаемой обычно равной 0,14 массы шаров) »г _ Аеа _ 0,45тш^1Ш ~ 2я1000т] — 1000т) ’ где г) — КПД привода. Масса шаров (кг) тш — q>[ipni?2L, кг, где ф — коэффициент заполнения загрузкой барабана, ф = 0,3; ft — коэффициент пустотности загрузки, и = 0,57; р — плотность мелющих тел, для стальных шаров р = 7800 кг/м3; L — длина мельницы, м. Сверхтонкое измельчение осуществляют высокоскоростными аппаратами. В определенных условиях выгодно использовать вибрационные мельницы. При помоле до крупности частиц 1— 10 мкм эффективность таких мельниц выше, чем у шаровых. Высокие скорости удара (до нескольких сотен метров в секунду) сравнительно просто достигаются при движении частиц в струях сжатых газов или пара (в струйных мельницах). Особенно эффективны струйные мельницы, когда недопустимо загрязнение измельчаемого материала продуктами изнашивания мелющих тел. В промышленности строительных материалов применяют вибрационные мельницы двух типов: инерционные (рис. 5.15) и гирационные. Вибрационные мельницы могут работать в режимах сухого и мокрого помола. При непрерывном измельчении вибрационная мельница работает в замкнутом цикле. Обычно частоту и амплитуду колебаний задают из технологических соображений, а де-балансный момент (Н-м) вибратора рассчитывают по формуле Мв = gmBR = gmzA, где mB — масса вибратора, кг; R — радиус центра тяжести дебаланса, м; Л — амплитуда колебаний, м. Суммарная масса (кг) колеблющейся системы mz = mK + mB + kn (тм + тш), где т„ — масса корпуса мельницы, кг; ка — коэффициент присоединения сыпучей массы загрузки к колебаниям, kn — 0,25-5-0,3; mM, тт — масса измельчаемого материала и мелющих тел, кг. Мощность (кВт), потребляемая мельницей, расходуется на сообщение колебаний системе и потери на трение в подшипниках: knMl<L>3ku Рис. 5.15. Вибрационные мельницы инерционного типа: а — общий вид; б — схема сил; 1 — корпус; 2—дебалансный вал; 3 — подшипники; 4 — двигатель; 5 — опорные пружиыы
где k0 — экспериментальный коэффициент, характеризующий частоту колебаний и степень заполнения мельницы загрузкой; со — угловая скорость; kq — коэффициент, характеризующий вид мелющих тел, частоту колебаний и измель-относительная масса загрузки, ц = (ти + тш)/тк; S)
чаемыи материал; ц G — сила тяжести колеблющихся масс, Н. Мощность (кВт), раходуемая на трение: Д}птдсоаЯ Лтр(о 2л1000” 2000
Работа (Дж), затрачиваемая на трение в подшипниках вибратора за один оборот вала: fnDnmB(o*R, *тр
где f — коэффициент трения в подшипниках; Dn ■ подшипников, м. По данным ВНИИТИСМ принимают kq = 0,4-r0,3; k0 = = 0,1—г-1-,2; / = 0,010-^-0,006; ц = 2,41-^—2,23 соответственно при ю = 157-г- 314 рад/с. Струйные мельницы. В струйных мельницах измельчение происходит в результате соударений частиц в точках пересечения струй и в вихрях турбулентного потока. По виду энергоносителя эти мельницы разделяют на воздухоструйные и пароструйные диаметр внутреннего кольца 5.3. МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СОРТИРОВАНИЯ И ОБОГАЩЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ Машины для сортирования материалов. Исходное сырье производства строительных материалов представляет собой неоднородную по крупности смесь, содержащую различные примеси и включения. В процессе переработки сырье необходимо разделить на сорта по крупности, удалить из материала примеси и включения. Принципы действия основного оборудования для этого механический, гидравлический и аэрационный. Наиболее распространенный способ сортирования сыпучих материалов — механический. Сортирование производят на плоских или криволинейных поверхностях с отверстиями определенного размера. Такой процесс называется грохочением, а машины и устройства для этого — грохотами. Сыпучая смесь, поступающая на грохот, называется исходным материалом. Зерна материала, размер которых превышает размер отверстий поверхности грохочения, остаются на этой поверхности и называются надрешетными или верхним классом; зерна материала, прошедшие через отверстия, — подрешетными или нижним классом. Одна поверхность грохочения разделяет исходный материал на два класса. Если сортируемый материал последовательно проходит п поверхностей грохочения, то в результате получают n + 1 классов. Просеивающей поверхностью грохотов является колосниковая решетка, решето или сито, которые располагаются горизонтально или под углом к горизонту и приводятся в колебательное состояние. Благодаря колебательным движениям просеивающей поверхности материал, поступающий на нее, перемещается к разгрузочному концу грохота. Различают сухой и мокрый способы грохочения. При мокром способе исходный материал поступает на грохот в виде пульпы или в сухом виде и на грохоте орошается водой. При таком грохочении материал не только разделяется по крупности, но и промывается. Процесс грохочения принято оценивать двумя показателями: производительностью, т. е. количеством поступающего на грохот исходного материала в единицу времени, и эффективностью грохочения — отношением массы материала, прошедшей сквозь отверстия сита, к массе материала данной крупности, содержащейся в исходном продукте. Грохоты с плоскими рабочими органами. Рабочей частью грохота является просеивающая поверхность, которая может быть выполнена в виде сита (плетеной проволочной сетки), решета (стального листа с отверстиями или колосниковой решетки). Сита различают по способу плетения, форме ячейки (квадратная и прямоугольная), сечению проволоки (круглая и специального профиля), форме проволоки (предварительно изогнутая и прямая). Сварное сито изготовляют на месте эксплуатации из стальных прутков диаметром 7—8 мм и размером ячеек 60—100 мм. Долговечность сита зависит от материала, из которого оно изготовлено, и в значительной степени от того, как оно закреплено в грохоте. Слабый натяг сита приводит к «подхлестыванию» сита, в результате чего проволока сита быстро ломается. Разработаны новые просеивающие поверхности на основе резонирующих ленточно-струнных сит (РЛСС). Ленты-струны при работе грохота совершают продольные, поперечные и поворотные колебания, причем в результате эффекта резонанса амплитуда этих колебаний в 2—3 раза выше амплитуды колебаний короба грохота, что обусловлено близостью частот колебаний короба и собственной частоты лент-струн под нагрузкой. Для защиты лент-струн от ударов в зоне загрузки на длине 1 м установлена пластина из конвейерной резинотканевой ленты толщиной 15 мм. Вибрационные грохоты бывают легкие, средние и тяжелые. По конструкции грохоты разделяют на гирационные (рис. 5.16, а), инерционные (рис. 5.16, б), самобалансные (рис. 5.16, в) и резонансные. В промышленности строительных материалов используют средние и тяжелые грохоты. Исследованиями во НПО «ВНИИстройдормаш» установлено, что наиболее эффективными опорами грохотов являются пневмо-баллонные амортизаторы. Пневмобаллонные опоры имеют нелинейную упругую характеристику и с возрастанием колебаний при резонансе жесткость увеличивается. Один тип пневмобаллонной опоры при изменении внутреннего давления может быть исполь- човян для различных нагрузок при различных параметрах колебаний. Находят применение грохоты, у которых колебания просеивающей поверхности вызываются электромагнитным вибратором. В таких грохотах отсутствуют вращающиеся части, колебание сообщается только просеивающей поверхности, а короб (рама) остается неподвижным. Теория грохочения базируется на вероятностном характере процесса прохождения зерна сквозь отверстие просеивающей поверхности. Шарообразное зерно вертикально падает на просеивающую поверхность с квадратными отверстиями. При этих условиях вероятность прохождения зерна сквозь отверстие будет определяться как отношение числа случаев т прохождения зерна сквозь отверстие к общему числу всех случаев п [5]. Просеивание зависит от соотношения размеров d зерна и отверстия I и не зависит от их абсолютных размеров. Незначительное увеличение диаметра зерна d более 0,75/ вызывает необходимость существенного увеличения числа отверстий на сите для прохождения его сквозь сито. Расчет основных параметров, определяющих эффективность и производительность грохочения, включает определение размеров просеивающих поверхностей, частоты и амплитуды колебаний, углов наклона грохота, направления вращения вала вибратора, траектории движения сита и мощности на привод грохота. Оптимальное соотношение ширины и длины просеивающих поверхностей вибрационных грохотов принимается равным 1 : 2,5. У колосниковых грохотов тяжелого типа оптимальным является соотношение 1 : 2. Экспериментально установлено, что отверстия сита не забиваются зернами, т. е. происходит самоочищение его, если высота подбрасывания зерен над поверхностью сита h ^ 0,4/. Исходя из этого условия рассчитывают максимальную скорость движения просеивающей поверхности. Для грохотов с просеивающей поверхностью, расположенной в горизонтальной плоскости с направленными колебаниями под углом у к горизонту, скорость колебательного движения (м/с) и = -4— у 2gh‘, g sm у ' ° при 7 « 35° у0 = 7,72 УТР, для наклонных грохотов v0 = yr2g/icosa; при а — 20° и„ = 4,28-j/"h, где os — угол наклона просеивающей поверхности к горизонту (рис. 5.17). Рис. 5.17. Определение максимальной скорости движения материала по наклонной просеивающей поверхности (а); график скорости перемещения материала по колосниковой поверхности (б) Если на грохоте установлено два или три яруса сит, то скорость рассчитывают по ситу с наибольшим размером отверстий. По вычисленной скорости колебаний сит (м/с) определяют основные параметры колебаний грохота: где а — амплитуда колебаний, м; ш — угловая частота колебаний, Гц. При назначении амплитуды колебаний надо учитывать ряд ограничений. Установлено, что ускорение грохота при колебаниях, превышающее 80 м/с2, приводит к быстрому выходу из строя узлов грохота и возникновению трещин в коробе. Так как ускорение грохота w — о2а (м/с2) увеличивается пропорционально амплитуде колебаний и квадрату частоты колебаний, амплитуда должна быть такой, чтобы ускорение не превышало 80 м/с2. С уменьшением угла наклона грохота к горизонту снижается скорость перемещения материала по ситу, в результате чего возрастает эффективность грохочения при одновременном снижении производительности. У наклонных грохотов угол наклона может изменяться от 0 до 30°. При изменении направления вращения вала вибратора наклонных грохотов с круговыми и эллиптическими колебаниями с прямого движения материала по ситу грохота на противоположное эффективность грохочения улучшается, но одновременно снижается производительность. Производительность (м3/ч) грохотов товарного и промежуточного грохочения НПО «ВНИИстройдормаш» рекомендует определять по формуле П = qFk-J^k^m, где q — удельная производительность грохота для определенного размера отверстий сит при а= 18°, для квадратных сечений 5—70 мм в свету q = = 124-82 м»/(ч м2); F — площадь грохочения; kx — коэффициент, характеризующий угол наклона грохота^ для горизонтального грохота kt = 1, при а = 9-^22° k-y = 0,45ч-1,37; к2 - коэффициент, характеризующий содержание нижнего класса в исходном материале, при Сн = 10-f-90 % йг = 0,58-М,25; — коэффициент, характеризующий содержание в нижнем классе зерен размером меньше половины одного отверстия сита, при СН1 (2) = 10-i-90 % feg = 0,63-^1,35; т — коэффициент, характеризующий неравномерность питания и зернового состава материала, форму зерен и тип грохота, для горизонтального виброгрохота т = 0,8 (гравий), т. — 0,65 (щебень); для наклонного виброгрохота т = 0,6 (гравий), т = = 0,5 (щебень). Качество получаемого продукта зависит от размера I отверстий сит [5]. Производительность (т/ч) колосниковых грохотов при использовании их для предварительного грохочения в качестве грохотов-питателей рассчитывают по скорости перемещения материала по просеивающей поверхности: П = 3600Bhvpk, где В — ширина грохота, м; h — условная высота слоя материала на колосниковом грохоте, h — 0,24 м; v — средняя скорость перемещения материала по грохоту, м/с; v = [йт да 0,045 м/(с-°); а — угол наклона колосников, °]; при большом содержании в горной массе камней диаметром более 700 мм и значительной загрязненности и крупнокусковости глины выбранную скорость следует уменьшить на 20 %; р — насыпная плотность материала, т/м3; k — коэффициент, характеризующий вид просеивающей (в данном случае колосниковой) поверхности, для каскадной k = 1, для плоской k = 0,85, для криволинейной k = 1,5. При определении мощности двигателя учитывают, что при грохочении мощность расходуется на преодоление трения в подшипниках грохота, а также в опорах и сочленениях; на транспортирование материала и прохождение зерен сквозь отверстия сита: N общ ~ -^тр Ч- N pp. Мощность (кВт), расходуемая на преодоление трения в роликоподшипниках (Вт): дг _ МтрШ ТР 1000 ’ где МТр — момент трения, Н-м, Мтр = Fm\x.DI2 (Fm — нагрузка на подшипники, Н; (х — приведенный коэффициент трения, для подшипников рачения jx — 0,005-j-0,001; D—диаметр вала, м).    ^ Сила инерции (Н), развиваемая массой дебалансов т, FBнт = = т (а + е) (о2 (а — амплитуда колебаний короба грохота; е — эксцентриситет дебалансов; © —частота вынужденных колебаний). Мощность (кВт), затрачиваемая на перемещение и сортирование материала (при коэффициенте загрузки короба грохота, не превышающем 0,5), изменяется прямо пропорционально массе материала, находящегося на грохоте [5]: tfrp = 2,3/77 (Св + -%-) p/(vE), где I — длина грохота, м; П — производительность грохота по исходному питанию, м3/с; Св — содержание верхнего класса в исходном материале, %; Сн — содержание нижнего класса в исходном материале, %; р — плотность сортируемого материала, кг/м3; v — скорость перемещения материала по ситу, м/с; Е — эффективность грохочения, %. Потери энергии в электродвигателе учитываются его КПД. 6.4. ДРОБИЛЬНО-СОРТИРОВОЧНЫЕ УСТАНОВКИ И ЗАВОДЫ Каменные материалы перерабатывают на специализированных дробильно-сортировочных установках и заводах, которые по степени подвижности разделяют на стационарные, полу-стационарные (инвентарные, сборно-разборные), передвижные и плавучие. Дробильно-сортировочные заводы разделяют: по объему выпускаемой продукции (мощности) на заводы малой производительности (до 50—100 тыс. м3 в год), заводы средней производительности (100—250 тыс. м3 в год) и заводы большой производительности (более 250 тыс. м3 в год); по схеме технологического процесса — на заводы, работающие по открытому или замкнутому циклу; по расположению в отношении рельефа местности — на заводы, расположенные на горизонтальной площадке с горизонтальной компоновкой оборудования, и заводы с вертикальной схемой компоновки. Открытым циклом называют такой цикл, при котором дробимый материал на каждой стадии проходит через дробилку только один раз и сверхмерный материал не поступает для дополнительного дробления. Более равномерный продукт получается при замкнутом цикле дробления, когда сверхмерный материал поступает для повторного дробления и грохочения. На дробильно-сортировочном заводе материал измельчается в несколько стадий с применением различных дробильных машин, которые выбирают в зависимости от свойств исходного материала. Число стадий дробления назначают исходя из требуемой степени дробления. Так, при общей степени дробления ij, = 20 и степени дробления, которую можно получить на одной машине для большинства дробильного оборудования 3—7, нужно применить две стадии дробления, например с измельчением на первой стадии !, = 3 и на второй г2 = 7. Тогда is = ixi3 = 3-7 = 21. Принципиальная схема трехстадийного процесса переработки горных пород на дробильно-сортировочном заводе показана на рис. 5.18. Горная масса поступает в бункер 1 и питателем 2 подается на предварительное сортирование, которое производится на тяжелых колосниковых грохотах <3. Из исходной горной массы отбирается материал, не требующий дробления в машинах первой стадии. В зависимости от степени загрязнения нижний продукт может быть направлен на дальнейшее дробление или исключен из процесса переработки. Верхний продукт поступает в дро- Рис. 5.18. Принципиальная схема трехстадийного процесса переработки горных пород билку 4 первичного (крупного) дробления, где размер отдельных кусков уменьшается до 125—250 мм. Это обеспечивает нормальную работу дробилок последующей стадии. Нижний продукт после предварительного сортирования и материал, прошедший первую стадию дробления, подают на грохот 5 для промежуточного сортирования, назначение которого — исключить из потока материала продукт, не требующий переработки в машине 6 второй стадии дробления. Это снижает нагрузку на дробилку вторичного (среднего) дробления и уменьшает пере-измельчение материала. На этой стадии дробления устанавливают одну или несколько дробилок для среднего дробления и получают куски размером 46—125 мм. Нижний продукт первого грохота 5 для промежуточного сортирования и продукт, прошедший дробилку 6 второй стадии дробления, поступают на второй грохот 7 для промежуточного сортирования. Дробилка 8 для мелкого дробления, установленная на третьей стадии, перерабатывает до товарного размера 40 мм материал, полученный на предыдущих стадиях. Для этого в зависимости от вида горной породы применяют конусные, молотковые и роторные дробилки для мелкого дробления. После дробилки третьей стадии материал поступает на грохот 9 поверочного (контрольного) грохочения и на грохот 10 окончательного сортирования. На этом грохоте верхнее сито устанавливают на максимальный размер фракции готового продукта. С этого сита верхний продукт, т. е. зерна размером больше 40 мм возвращаются в дробилку третьей стадии. Так осуществляется замкнутый цикл дробления. Применение замкнутого цикла повышает (на 25—30 %) производительность дробилок последней стадии, так как допускает их работу с более широкими выходными щелями. Кроме того, замкнутый цикл позволяет более точно выдержать требования по допустимому закрупнению готового продукта. Для определения крупности и количества перерабатываемого материала, проходящего через операции технологического про- Рис. 5.19. Зависимость суммарного выхода верхнего класса (%) от круп- •HUClH В ДОЛИЛ ЫИрИНЫ р аЗГру 30TIIIOII щели щековых и конусных дробилок
цесса, и соответствующего оборудования, рассчитывают качественно-количественную схему процесса. Схему, показывающую крупность материала после каждой отдельной операции, называют качественной. Для расчета качественноколичественной схемы необходимо знать характеристики крупности исходной горной массы, а также характеристики дробленого продукта после каждой стадии дробления. Для точного расчета схем эти данные определяют опытным путем для каждого конкретного месторождения. Для приближенного расчета можно пользоваться типовыми кривыми гранулометрического состава исходной горной массы и продуктов дробления различных дробилок. На рис. 5.19 кривые 1, 2, 3 характеризуют гранулометрический состав соответственно для прочных горных пород, а также для горных пород средней и слабой прочности. Автоматизация дробильно-сортировочных заводов. Дробильносортировочное предприятие представляет собой единую поточнотранспортную систему (ПТС). Производственные процессы выполняются без участия обслуживающего персонала в автоматизированном режиме. Особенностью, осложняющей автоматизацию дробильно-сортировочного завода, является необходимость обеспечения дистанционного и автоматического управления не только пуском и остановкой машин и механизмов, но и автоматического регулирования режимов переработки материала на различных стадиях процесса в зависимости от изменения количества и качества поступающего сырья', а также защиты оборудования при резких отклонениях режимов работы. Управление автоматизированным дробильно-сортировочным заводом осуществляется с центрального диспетчерского пульта. Такое управление называется централизованным автоматизированным (ЦАУ). Требования к схемам ЦАУ изложены в Нормах технологического проектирования. Автоматизация процессов переработки горных пород с полным выводом обслуживающего персонала из зон повышенного шума, вибрации и пылеобразования является важнейшим мероприятием по улучшению труда обслуживающего персонала, отвечающим современному уровню развития техники и требованиям экологии. Локализация пыли в установках дробления осуществляется системой аспирации с агрегатами аспирации, которые включают гидрообеспыливание (оросительные устройства), аспирируемые герметические укрытия на всех участках активного пылеобразо- вания; очистители аспирируемого воздуха перед выбросом его в атмосферу. Используют мокрый способ очистки аспирацион-ного воздуха с установкой пылеуловителей на открытой площадке. Годовая производительность дробильно-сортировочных установок по готовой продукции (м3/год) /7Гот = ^ дв ^го т/(Рго т^нр) > где Ядр — часовая производительность головной щековой дробилки, т/ч; I — годовой фонд чистого рабочего времени, ч; йгот — выход готовой продукции, kr0T = 0,91-г-1; Ргот — средняя насыпная плотность щебня, т/м*; 6Нр — коэффициент неравномерности подачи горной массы, feHp = 1.15. Максимальная часовая нагрузка на оборудование определяется расчетной максимальной производительностью головной дробилки (т/ч) при переработке прочных изверженных пород: 77др = 77 пР^Др^ф^Кр^ВЛ’ где Пп — паспортная производительность дробилки, м3/ч; р — насыпная плотность, т/м8; &др — поправочный коэффициент на дробимость материала, &др = = 0,9; кф — поправочный коэффициент, учитывающий форму дробимого материала, k(h = 0,95-Ь 1; kKp — поправочный коэффициент на крупность материала, kKP = 0,97; kBn — поправочный коэффициент на влажность дробимого материала, Лвл = 0,98-5-1. ГЛАВА 6 МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ И РАБОТЫ С БИТУМОМ 6.1. МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЦЕМЕНТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ Цементобетонные смеси и строительные растворы представляют собой смеси, состоящие из вяжущих веществ (цемента, извести) и заполнителей (щебня, гравия и песка, а также легких материалов: шлака, пемзы, керамзита). В результате химической реакции между вяжущими веществами и водой образуется цементный (известковый) камень, заполняющий пространство между щебнем и песком. Для экономии вяжущего материала и получения более прочного бетона так подбирают компоненты смеси, чтобы между ними было наименьшее количество пустот. На технологию приготовления цементобетонных смесей большое влияние оказывает количество вяжущего вещества и воды, которые в основном определяют подвижность и укладываемость смеси и прочность затвердевшего бетона. Затвердевший бетон характеризуется «маркой», т. е. пределом прочности образцов на сжатие в 28-дневном «возрасте». На прочность бетона влияет однородность смеси, зависящая от качества перемешивания. Приготовленйе (смешивание) цементобетонных смесей и растворов осуществляется в бетоно- и растворосмесителях. Смешиванию сопутствуют вспомогательные операции: дозирование, загрузка составляющих и выгрузка готовой смеси. Устройства для осуществления вспомогательных операций могут быть выполнены в одном агрегате со смесителем или самостоятельно и входить в комплект соответствующего оборудования смесительного завода. Смесители классифицируют по ряду признаков (рис. 6.1). Смесители бывают стационарными и передвижными. Передвижные смесители применяют на объектах с небольшими объемами работ, стационарные — на заводах. По способу смешивания различают смесители принудительного действия и гравитационные. Принудительное смешивание осуществляется при вращений лопастей или других элементов в неподвижной емкости — барабане (рис. 6.2), а в гравитационных смесителях — в результате подъема и сбрасывания смеси внутри вращающегося барабана (рис. 6.3). Гравитационные смесители проще по конструкции и способны перемешивать бетоны с более крупным заполнителем. По режиму работы смесители бывают цикличного и непрерывного действия. Смесители цикличного действия работают последовательными циклами. Рис. 6.1. Классификация машин и оборудования для приготовления цементобетонных смесей Каждый цикл состоит из операций загрузки, перемешивания и выгрузки готовой смеси. В смесителях непрерывного действия поступление компонентов и выход готовой смеси происходит непрерывно. Эти машины отличаются большой производительностью. Главным параметром смесителей непрерывного действия является их производительность. Гравитационные бетоносмесители обеспечивают перемешивание компонентов в барабанах, к внутренним стенкам которых прикреплены лопасти. При вращении барабана смесь поднимается лопастями на некоторую высоту и затем падает вниз. При этом образуются определенные радиальные и осевые потоки движения смеси, благодаря чему различные частицы материала равномерно перераспределяются по объему замеса. Однородность смеси обеспечивается при 30—40 циклах подъема и сброса. Гравитационные бетоносмесители непрерывного действия обычно имеют цилиндрический барабан с горизонтальной осью. о — схема смесителя; 1 — двигатель; 2 — клиноременная передача; 3 — редуктор; 4 — зубчатая передача; 5 — разгрузочный затвор; 6 — лопастные валы; 7 — лопасть, 8 — корыто смесителя. Схема движения смеси в корпусе смесителя: б — противоточная; в — цоточ но-контурная Рис. 8.2. Двухвальный смеситель с горизонтальными валами непрерывного действия:
б) в)
Рис. 6.3. Бетоносмеситель с двухконусным барабаном: а — общий вид; б — схема устройства смесительного барабана: 1 — станина; 2 — стойка; 3 — пневмоцилиндр: 4 — кронштейн; 5 — шип траверсы; 6 — барабан; 7, 1S — обод; 8 — зубчатый венец: 9 — электродвигатель; 10 — опорные ролики; 11 — упорный ролик; 11 — траверса; 13, 14 — лопасти Рис. 6.4. Схемы неоиро кидных бетоносмесп ге- а — реверсивного,    б — свыгруэочным лотком Такие смесители непрерывно загружают сверху через загрузочную воронку, готовая смесь также непрерывно выгружается с противоположного конца. Производительность регулируют, меняя производительность дозаторов. Такие бетоносмесители хорошо зарекомендовали себя при приготовлении смеси одной марки. При переналадке на смесь новой марки они уступают смесителям циклического действия. Бетоносмесители изютовляют с наклоняющимися и ненаклоняющимися барабанами. Смесительные барабаны могут быть грушевидной, конусной и цилиндрической формы. .— По способу выгрузки гравитационные смесители бывают: опрокидными, в которых выгрузка замеса осуществляется наклоном барабана в сторону выгрузочного отверстия; реверсивными, выгружаемыми в результате обратного вращения, чго обеспечивает движение материала в сторону выгрузочного 01верегия; с вводным лотком, по которому смесь выгружается из барабана (рис. 6.4). Цикличные бетоносмесители с принудительным смешиванием материалов разделяют на чаше- и корытообразные (лотковые). В чашеобразных корпус выполнен в виде чаши цилиндрической формы с одним или несколькими перемешивающими валами. В корытообразных бетоносмесителях корпус оснащен одним или двумя перемешивающими лопастными валами Бетоносмесители принудительного смешивания более производительны, они обеспечивают приготовление смесей высокой жесткости, чего нельзя достичь в гравитационных бетоносмесителях. Бетоносмесители с эксцентрично расположенными валами разделяют на прямоточные и противоточные с вращающейся или неподвижной чашей. Прямоточные имеют направление вращения лопастного вала, которое совпадает с направлением движения смешиваемых материалов, обеспечиваемого вращающейся чашей или лопастями, которые закреплены на траверсе В противоточ-ных бетоносмесителях вращающаяся чаша или траверса со скребками направляет смешиваемые материалы к лопастным валам, вращение которых противоположно вращению ч?ши или траверсы. Смешивающие аппараты чашеобразных бетоносмесителей выполняют планетарно-роторными и роторными. Роторные чашеобразные бетоносмесители более просты по конструкции, чем планетарно-роторные, так как не имеют вращающихся лопастных валов. Смешивающие лопасти расположены на разных расстояниях от оси чаши так, чтобы при вращении ротора они перекрывали всю площадь смесительного пространства (рис. 6.5). Такие бетоносмесители хорошо работают при приготовлении подвижных Рис. 6.5. Роторный смеситель с вертикальным валом: а — общий вид; б — лопастной аппарат; / — лопастной аппарат; 2 — электродвигатель; 3 — пульт управления; 4 — крышка чаши; 5 — редуктор;6 — неподвижный корпус-чаша; 7 — пневмоцилиндр затвора; 8 — затвор; 9 — держатель лопасти; 10 — водило; 11 — лопасть для очистки обечайки внутреннего стакана; 12 — амортизатор; 13 — регулировочный винт; 14 — лопасть для очистки стенок корпуса бетонных смесей и строительных растворов. Смеситель представляет собой корпус с вертикальной осью, внутри которого со скоростью 6—8 м/с вращается ротор. Исходные материалы после дозирования загружают сверху через отверстие в крышке корпуса, выгрузка готовой смеси производится через дно корпуса. Двухвальные и одновальные смесители лоткового типа обеспечивают приготовление любых смесей, включая бетонные на пористых заполнителях плотностью менее 1000—1200 кг/м3. В двухвальных лотковых смесителях вращающиеся в противоположных направлениях валы с лопастями, расположенными по прерывистой винтовой линии, создают перекрестное перемещение смешиваемых материалов от стенок к центральной части корпуса вверх, откуда материалы, опускаясь под действием сил тяжести, возвращаются от центра к периферии. Всплывание легких фракций заполнителей при этом исключается. При такой схеме перемещения путь, проходящий частицами приготовляемой смеси, сокращается и снижается энергоемкость процесса. Корпуса лотковых смесителей вместе с разгрузочными затворами выложены внутри легкосменяемой облицовкой, изготовленной из стали, полимеров, керамики, базальта. В некоторых конструкциях двухвальных лотковых смесителей готовая продукция выгружается при разъеме дна корпуса, создаваемого поворотом двух половин корпуса вокруг валов в противоположных направлениях на некоторый угол. Это позволяет сократить время выгрузки готовой смеси до 5—7 с, что в 4—5 раз меньше продолжительности выгрузки готовой смеси из роторных смесителей. Возможны различные схемы установки лопастей на валах смесителей непрерывного действия. При поточной схеме лопасти на обоих валах обеспечивают поступательное движение смеси от загрузочного отверстия смесителя к разгрузочному. При поточно-контурной схеме лопасти одного вала перемещают смесь в сторону разгрузочного отверстия, а другого вала — в обратном направлении. В поточно-контурной схеме корпус установлен с наклоном в сторону разгрузки под углом а = 3°. Исследования влияния частоты п вращения лопастных валов на степень сепарации смеси показали, что превышение п выше некоторого «критического» значения приводит к росту неоднородности смеси на выходе из смесителя. Этого не наблюдается, если частота вращения я валов не достигает критических значений, но и при этом степень неоднородности в зоне выхода из смесителя несколько повышается. Вибрационные смесители обеспечивают интенсификацию перемешивания жестких бетонных смесей. При вибрировании разрушаются структурные связи смеси, и она становится более текучей, при этом улучшается использование вяжущих свойств цемента, так как при соударении частиц с них удаляются продукты гидратации и в реакцию вступают новые поверхности. Однако некоторыми исследованиями установлено, что применение вибрации для перемешивания смесей, содержащих большое количество воды, существенно не увеличивает прочность бетона, в то время как энергозатраты при виброперемешивании увеличиваются в 1,5—2 раза. Виброперемешивание экономически выгодно при приготовлении жестких бетонных смесей с мелкозернистыми заполнителями. Вибрация может передаваться смеси через корпус смесителя или через лопасти (рис. 6.6, а). В гравитационных и лотковых смесителях готовят смеси с наибольшей крупностью заполнителей до 150—180 мм. Наименьшую энергоемкость 1,1—1,3 кВт/м3 имеют гравитационные смесители. Среди смесителей принудительного действия менее энергоемки лотковые смесители (3,2—3,35 кВт/м3) по сравнению с тарельчатыми смесителями (3,5—4 кВт/м3). Большую эффективность имеют лотковые двухвальные смесители перед тарельчатыми и лотковыми одновальными. Гравитационные смесители эффективны при приготовлении подвижных смесей с осадкой конуса 3—5 см и больше с наибольшей крупностью заполнителей до 180 мм. По сравнению с тарельчатыми смесителями роторного типа применение лотковых двухвальных смесителей снижает энергоемкость смешивания на 20 % и сокращает расход цемента на 50 кг/м3. Перспективы развития бетоносмесителей. Разработаны новые комбинированные смесители (рис. 6.6, б) для приготовления различных бетонных смесей. Смеситель представляет собой барабан, состоящий, из двух полусфер, одна из которых жестко связана с приводным горизонтальным валом. Полусферы соединены между собой герметизированным резиновым уплотнителем, обеспечивающим передачу крутящего момента от одной полусферы к другой. Приготовление смеси осуществляется во вращающемся барабане с помощью расположенных внутри обеих полусфер смесительных лопастей. Загрузка исходных компонентов осуществляется через торцовое отверстие левой полусферы, по окончании смешивания правая полусфера отводится по валу вправо и через образовавшийся кольцевой разъем выгружается готовая смесь. Считают, что в таких смесителях можно получить смеси любой удобоукладываемости с наибольшей крупностью заполнителей до 150 мм при сокращении энергоемкости, времени приготовления смеси и ее разгрузки. Рис 6 6. Схемы смесителей интенсифицирующего действия* а — двухвальный роторный вибросмеситель; б — комбинированный смеситель, в — смеситель с гибким корпусом: 1 — рама, 2 — опорные пружины, 3 —■ электродвигатель привода дебалансного вала; 4 — барабан, 5 — трубчатый вал, 6 — дебалансный вал, 7 — лопасть, 8 — стакан, 9 — приводной шкив, 10 — дебаланс, 11 — электродвигатель привода лопастного вала, 12, 13 — полусферы, 14 — приводной вал, 15, 17 — смесительные лопасти, 16 — резиновое уплотнение, 18 — неподвижная рама, 19 — подвижная рама, 20 — гибкий корпуо смесителя; 21 — ось поворота, 23 — опора корпуса, 24 — центральный конус; 25 — кривошип; 26 — механизм опрокидывания, 27 — приводной вал с электродвигателем, 28 — опорный подшипник
в)
В условиях, требующих повышенной однородности смеси, находят применение безлопастные смесители с гибким корпусом или спирально-вихревые смесители. Такой смеситель (рис. 6.6, в) под определенным углом к горизонту металлический диск. По окружности диска жестко укреплен гибкий конический корпус, в верхней части которого закреплено металлическое кольцо. Для предотвращения образования «мертвых зон» и вихреобразования в центре наклонного диска установлен конус. Безлопастные смесители с гибким корпусом обеспечивают по сравнению со смесителями традиционных типов меньшую продолжительность приготовления смесей (10— 30 с). Смесители имеют большую металлоемкость и значительные размеры при ограниченной вместимости (до 0,5 м3). В качестве защитной футеровки в смесителях широко используют полимер-резиновые материалы, которыми облицовываются лопасти и внутренние полости смесителей Помимо увеличения срока службы смесителей в 1,5—2 раза улучшаются санитарно-гигиенические условия труда обслуживающего персонала. При работе смесителей с металлической футеровкой на частотах 500— 4000 Гц уровень звукового давления превышает нормативный, а при замене металлической футеровки полимер-резиновой уровень звукового давления снижается до уровня, допускаемого санитарными нормами. Расчет основных параметров гравитационных смесительных машин (рис. 6.7). Главным параметром гравитационных бетоносмесителей циклического действия является объем готового замеса V3 (л), который для машин, выпускаемых промышленностью, представляет собой размерный ряд: 65, 165, 330, 500, 800, 1000, 2000, 2600, 3000 л. При этом между объемом готового замеса и объемом сухих компонентов, загружаемых в барабан на один замес Узаг, существует зависимость Va = Уааг^в. с (^в. с — коэффициент выхода емееи, для бетонных смесей kB, 0 = 0,65 -?• 0,70 и для растворов 0 = 0.85 ^0,95) Геометрический об'ьем смесительного барабана VT в 2—3 раза больше Узаг. Это соотношение существенно влияет на качество смешивания. Высота лопастей для различных точек лопасти по ее длине различна. Высота лопасти от поверхности барабана ha =    А» (Dx — диаметр сечения барабана, в котором определяется высота лопасти). Частоту вращения смесительного барабана п (об/с) определяют исходя из условия предотвращения отрицательного влияния центробежных сил, прижимающих частицы смешиваемых компонентов к стенкам барабана. Уравнение равновесия частицы, лежащей на поверхности лопасти, имеет вид mg sin а = mg\k cos а + ma>zR, где т — масса частицы, кг; g — ускорение свободного падения; а — угол наклона лопасти к горизонту, а = 45°; (х — коэффициент трения смеси о сталь, fi = 0,6; со — окружная скорость барабана, м/с; R — радиус внутренней поверхности барабана, м. Следовательно, g (sin а — ц, cos а) — -щ- R, где п — в об/мин. Отсюда п = 30 У"(sin а — cos а)/R . Приближенная формула имеет вид п = У 400/Drp, где Drр — диаметр цилиндрической части барабана. Мощность двигателя для привода барабана гравитационного бетоносмесителя расходуется на подъем смешиваемого материала и преодоление сил сопротивлений, возникающих при вращении барабана (силы сопротивления трению от качения бандажей по опорным роликам, силы сопротивления трению в подшипниках роликов, силы сопротивления в трансмиссии). Угол г|э, связан с углом наклона к горизонту поверхности материала в барабане. Считают, что угол ip равен углу естественного откоса материала: -ф == 40-^45°. Сила сопротивления, создаваемая смещением материала и приведенная к ободу бандажа, (Н): W7 _ Оцбц + GKbK 1 ~-R + Ъ ’ где Оц, 0К — силы тяжести материала в цилиндрической и конической частях барабана, Н; Ьц, Ьк — плечи сил тяжести материала в цилиндрической и конической частях барабана, м; R — радиус барабана, м; 6 — толщина бандажа, м. Сила тяжеети материала в цилиндрической части барабана Оц — FhUps, где F-ц — площадь сечения снеси в цилиндрической части барабана, ма; /ц — длина цилиндрической части барабана, и; р — плотность сухой смеси, р = = 1400-г-1500 кг/м®. Площадь Рц (м?) определяют как площадь кругового сегмента: = ~у~ (Р — sin Р). где Р — угол, рад. Сила тяжести (Н) материала в конических частях барабана Ga = V BavPS ^ц* Плечо силв! тяжести материала в цилиндрической части барабана (м) Ьц = дп sin -ф, где уц — расстояние от оси барабана до центра масс материала в цилиндрической части барабана, м, 4 R sin (ЗР/2) Вц= 3 Р — sinp ’ Плечо силы тяжести материала в конической части барабана ь« = Ун Sin ф, где дк — расстояние от оси барабана до центра масс материала в конической части барабана, м, дк = R — 2/3Ь. Сила сопротивления (Н) трению от качения бандажа по роликам и сила сопротивления трению в подшипниках роликов, приведенные к ободу бандажа: TV7 _ ^СМ    + 0б „ jk_ 2 cos a R -j- 6 ' cos a ^ ’ где GCM — сила тяжести смеси, H, G0M = FBarpg; Gg — сила тяжести барабана, Н; а — угол установки роликов, а = 30°; k — коэффициент трения качения, м, k = 0,002-f-0,005; — коэффициент трения скольжения в подшипниках роликов; d2 — диаметр оси ролика, м; dx — диаметр ролика, м. Мощность привода смесительного барабана (кВт) N = (Wt + W2) o/IOOOtj, где v — окружная скорость бандажа барабана, м/с; т) — КПД трансмиссии барабана. Расчет основных параметров и мощности привода бетоносмесителей принудительного действия. Производительность смесителей цикличного действия (м3/ч) где V — объем готового замеса, м8; г — число циклов в 1 ч. Число циклов (ц/ч) г = 3600/г, где t — длительность цикла (интервал между замесами), с, t = tB + *пер + (ta — время на загрузку смесителя, с, ta = 10—20 с; tmp — время на перемешивание, с, tnep = 604-90 с; /р — время на выгрузку готовой смеси и возврат барабана в исходное положение с, = 10-f-20 с). Эксплуатационную производительность за смену (м3/смену) определяют по количеству часов Т в смену с учетом коэффициента использования времени kB = 0,8 -5-0,9: Пэ = ПТкъ. Обозначая через п число смен работы в течение года, получают годовую производительность Ягод (т/год): П год /70Г2&ГОд, где 6Г0Д — коэффициент использования времени в течение года, £год= 0,8-^-0,85. По заданному объему продукции в течение года и режиму работы (Т, п) можно определить необходимый объем готового замеса смесителя (м3) у — Птоя TnzkBkr0 д Производительность (м3/ч) лопастных смесителей непрерывного действия в общем виде П = 3600Fvoc, где F — площадь поперечного сечения потока материала в смесителе, м1; иос — осевая скорость движения материала, м/с. С некоторым допущением рабочие органы лопастного смесителя можно рассматривать как винтовой конвейер с винтовыми лопастями. Осевая скорость движения материала (м/с) зависит от окружной скорости лопастей, их формы и схемы установки: ^ос = kBknV tg Р, где kB — коэффициент возврата смеси вследствие перемешивания, kB — 0,68-f-0,75; ka — коэффициент, характеризующий винтовые лопасти; v — окружная скорость лопастей, м/с, v = mR (со — угловая скорость лопастного вала, рад/с; R — радиус наружной кромки лопасти, м); Р — угол подъема винтовой линии, образуемой лопастями, tg Р = tl(2nR) (t — шаг винта лопастей, м). Коэффициент kn представляет собой отношение площади проекции лопастей на винтовую поверхность к площади сплошной винтовой поверхности в пределах одного шага. При прямоугольных лопастях отношение площадей можно заменить отношением проекций ширины лопастей на винтовую линию к длине винтовой линии. Тогда и Ь cos a (zj — z2) Лп ~~ 2лЯ/cos р ’ где Ь — ширина лопасти, м; а — угол наклона лопасти к винтовой поверхности, °; гг и гг — число лопастей в пределах одного шага соответственно с положительным и отрицательным углами установки. На основании рассмотренного получают формулу для определения производительности (м8/ч) П = 3g°° R2kB(ab cos а (гх — z2) sin fikH, где ku — коэффициент заполнения смесителя, обычно kB = 0,5^-0,6. С увеличением угловой скорости производительность повышается. Однако с возрастанием скорости продвижения смеси уменьшается время смещения, что влияет на качество перемешивания. Чтобы обеспечить стабильность качества перемешивания при изменении угловой скорости лопастных валов, необходимо увеличить длину смесителя или изменить схему установки лопастей. Мощность двигателя привода лопастных смесителей расходуется на преодоление сопротивлений деформированию массы лопастями и перемещение материала в корпусе смесителя. Для предварительных расчетов рекомендуется пользоваться упрощенной методикой, основанной на том, что все виды сопротивлений оцениваются экспериментальным удельным сопротивлением движению лопасти в смеси (см. п. 3.1). На основании зависимости, рассмотренной ранее, получают формулу для определения мощности (кВт), необходимой для вращения вала с z лопастями: дг kb cos v (Ян — ^в) 1 ~ 2-1000 ’ где k — удельное сопротивление движению лопасти в смеси, Н/м2; Ь — ширина лопасти, м; 7 — угол между плоскостью лопасти и осью вала; RH, RB — наружный и внутренний радиусы лопасти, м; ш — угловая скорость вала, рад/с; г — число лопастей на валу; kH — коэффициент заполнения материалом барабана смесителя. Значения k для бетонных смесей определены экспериментально: для пластичных смесей k = 3 104 Н/м2, для жестких смесей k = 5,5-104 Н/м2. Мощность двигателя роторных бетоносмесителей также можно определить по приведенной формуле. Мощность (кВт), необходимую для транспортирования смеси, определяют по методике расчета винтовых конвейеров: м — пР1(°ё 2 — 3,6-10е ’ где П — производительность смесителя, м3/ч; р — насыпная плотность, кг/м3; L — длина корыта смесителя, м; со — коэффициент сопротивления движению, для глины со = 4-н5,5. Мощность двигателя (кВт) Л/дв = {N, + Л/2)/ть где т| — КПД привода. Исследованиями НПО «ВНИИстройдормаш» на основе анализа размерностей установлена зависимость для расчета мощности (кВт) двухвальных горизонтальных бетоносмесителей непрерывного действия: N = (28 4-30)-^-n-0-3d2-3, где L — длина смесителя, м; d — диаметр лопасти, м; п — частота вращения вала, об/мин. Параметры лотковых смесителей можно также определить по эмпирическим формулам: для двухвальных смесителей т = 5,1 У0-76, N = 34 У0-98, I = 1,55 У0-3, а = 0,85У°-3, г = 0,55 У°>3; для одновальных смесителей т = 4,ЗУ0-98, N = 36У1,05, I = 1,35У0,35, г = 0,71 У0-4, где т — масса смесителя, т; N — мощность двигателя, кВт; I—длина корпуса, м; а — межцентровое расстояние (между двумя валами смесителя), м; г — радиус окружности, описываемый лопастью, м; V — объем готового замеса, м3. Частота вращения лопастных валов п и шаг t лопастей определяются соотношениями: п С 30/}/г и t = (0,68-^0,82) г. Динамические нагрузки, действующие в период неустановив-шегося движения лопастного вала (при разгоне, стопорении), рассчитывают на основании методов, рассмотренных ранее. Вибрационное перемешивание интенсифицирует смешивание исходных материалов, а также приготовление смесей, получение которых в традиционных смесителях невозможно (например, дисперсно-армированные бетонные смеси), сокращает время приготовления смесей, повышает производительность. Исследованиями установлено, что параметры вибрационных воздействий (частота <о и амплитуда а) должны быть такими, чтобы их сочетание обеспечивало значительное снижение вязкости смеси. Рекомендуются следующие соотношения: аа2 « 100-^-250 м/с2; а2®3 « 50-*-150 м2/с®. В вибросмесителях должно быть предусмотрено сочетание принудительного перемешивания материалов с вибрационным воздействием. Предпочтительным является кинематическое возбуждение вибратора, которое обеспечивает постоянство параметров вибрации и возможность динамической балансировки. Интенсивность виброперемешивания оценивают показателем И = kF/V, где k — коэффициент, характеризующий интенсивность вибрирования, за которую можно принять амплитудное значение ускорения колебаний; F — излучающая вибрацию поверхность; V — объем смеси. Максимальные ускорения колебаний, обеспечивающие эффективность приготовления смеси и удовлетворяющие требованиям долговечности смесителя, составляют 160—150 м/с2. При этом время перемешивания не превышает 40 с. 6.2. ЗАВОДЫ И ПЕРЕДВИЖНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЦЕМЕНТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ Технологический процесс сооружения бетонных покрытий начинается с приготовления бетонной смеси, состав которой определяет качество сооружения. Смесительные установки и заводы в дорожном строительстве готовят до 240 м3/ч цементобетонных смесей. Передвижные бетонные заводы бывают двух исполнений: блочном и транспортном. Блочное исполнение заводов предусматривает монтаж оборудования на самостоятельных жестких рамах. Каждая отдельная группа механизмов (блок) должна допускать перевозку на прицепах-тяжеловозах. Такое исполнение позволяет предельно сократить время на монтаж, демонтаж и транспортирование оборудования. Бетонные заводы включают дозировочное и смесительное отделение, склад цемента, погрузочно-транспортировочное оборудование, силовую и насосную станции или заменяющие их трансформаторную подстанцию и линии водопровода. Вода также может подвозиться автоцистернами. Силовое, насосное и конвейерное оборудования, входящие в комплект завода, также изготовляются в транспортном исполнении. Заводы должны обеспечивать работу комплекта с линейным бетоноукладочным оборудованием. Эффективное использование высокопроизводительных комплектов машин для производства бетонных смесей требует организации притрассовых передвижных цементобетонных заводов на базе смесителей принудительного и гравитационного перемешивания производительностью не ниже 120 м3/ч цикличного (рис. 6.8) и непрерывного (рис. 6.9) действия. Бетоносмесительный завод включает в себя следующие основные блоки: смеситель; дозировочный агрегат минеральных материалов; дозировочный агрегат цемента; три ленточных питателя; инвентарный склад цемента; емкость для воды; агрегат приготовления добавок; два пульта управления (самой установки и склада цемента). На смесителе установлен дозатор воды, под ним — ленточный транспортер выдачи смеси в автомобили-самосвалы, а сзади — тарировочное устройство для проверки работы дозаторов. Дозировочные агрегаты включают в себя три расходных бункера для заполнителей с дозаторами и расходный бункер для цемента с дозатором и автоматическими указателями нижнего и верхнего уровня цемента. Полная загрузка расходного бункера обеспечивает 30—60 мин работы установки. Дозаторы, установленные под расходными бункерами, подают отдозиро-ванный цемент и заполнитель на горизонтальный транспортер, Рис. 6.8. Схема бетоносмесительного узла с двумя смесителями принудительного действия 1 — смеситель с вертикальным лопастным валом; 2 — дозатор воды; 3 — многофракционный дозатор заполнителей для последовательного взвешивания до шести компонентов; 4 — бак дЛЯ воды; 5 — бункера; 6 — циклон; 7 — силос; 8 — труба пневмоподачи цемента; 9 — сводообрушитель; 10 — дозатор цемента; 11 — винтовой питатель; 12 — ленточный питатель; 13 — бункер готовой смеси; 14 — сборная двухрукавная воронка; 15 — поворотный ленточный питатель заполнителей; 16 — ленточный транспортер заполнителей; 17 — компрессор для пневмоуправления откуда сухие составляющие бетонной смеси поступают на наклонный конвейер и с него в смеситель. Инвентарный склад цемента вместимостью 300 т состоит из восьми вертикальных металлических емкостей, оборудованных указателями нижнего и верхнего уровней и пневмоподъемниками, передающими цемент в расходный бункер. Емкость для воды и агрегат приготовления добавок вмещают по 9 т жидкости и оборудованы насосами для ее перекачки. Расходный склад заполнителей (песка и двух фракций щебня) применяется открытого штабельного типа с разделительными вертикальными стенками (или без них) и располагается рядом со смесительной установкой. Бетоносмесительная установка малой производительности предназначена для рассредоточенных строительных объектов и представляет собой партерную самомонтирующуюся установку мобильного исполнения с автоматическим и дистанционным управлением, выполненную в двух модификациях: для работы при отрицательных (до —15 °С) и положительных температурах. Рис. 6.9. Схема двухступенчатого автоматизированного бетонного завода непрерывного действия для приготовления бетона 12 марок по перфокартам: 1 — бункера для заполнителей; 2 — дозаторы заполнителей непрерывного действия: 3 — ленточный транспортер заполнителей; 4 — наклонный ленточный транспортер; 5 — тарировочный дозатор цикличного действия; 6 — дозатор цемента; 7 — бункер для цемента; 8 — фильтр цементного бункера; 9 — сборная воронка; 10 — смеситель непрерывного действия; 11 —блок управления; 12 — водяной насос-дозатор Производительность установки при положительных температурах составляет 12 т/ч, при отрицательных — 5 т/ч. Установка состоит из блока технологического оборудования с кабиной оператора; склада цемента и склада заполнителей бетонной смеси. Блок технологического оборудования выполнен с теплоизоляцией и оснащен пневмоколесным ходовым устройством. Он состоит из основной и опорной рам, на которых смонтировано все оборудование. Склад заполнителей можно переоборудовать из трехсекционного секторного исполнения со стреловым скрепером (при работе летом) в обогреваемый бункерный (для работы при отрицательной температуре). Бункерный склад снабжают системой подогрева заполнителей. Склад цемента силосного типа выполнен в виде самостоятельного узла. Он снабжен наклонным шнековым питателем. Передвижные смесительные установки для приготовления смесей из грунтов и каменных материалов, укрепленных неорганическими вяжущими материалами. Основания под цементобетонные покрытия при скоростном строительстве автомобильных дорог и аэродромов рекомендуется сооружать из несвязных несцементированных обломочных грунтов, каменных материалов и отходов промышленности, включая золошлаковые смеси из отвалов тепловых электростанций (ТЭС), укрепленных неорганическими вяжущими материалами. Для приготовления смесей используют смесители принудительного перемешивания, а также смесители свободного перемешивания для приготовления смесей на основе песчано-гравийных, песчано-щебеночных, грунтогравийных и грунтощебеночных материалов, а также с использованием граве- Рис. 6.10. Структурно-элементная схема комплекса аппаратуры для автоматизации бетоносмесительных установок: 1, 5 — датчики положений рабочих органов; 2 — датчик скорооти ленты транспортера; 3 — датчик контроля толщины слоя материала на транспортерах: 4, S -» датчики предельного уровня материала в бункерах, 7, 14, 15, 19 —• цилиндры управления за»ворами бункеров, 11, 12, 13 — дозаторы с циферблатными указателями; 8 —> датчик авар ийной перегрузки дозаторов, 9 — датчик разгрузки дозаторов, 10 датчик задания массы порции, /S — сборная воронка, /7 — смеситель; 18 — бункер готовой смеси; 20 — набор схемных элементов для управления подачи материалов в расходные бункера (КАКТУС), 21 — управление операциями дозирования, перемешивания и выдачи готовой смеси (УНИБЛОК), 22 — дистанционные указатели работы основных элементов автоматики, 23 — подсистема управления от жетонов и перфокарт (СУЗИ) листых, крупных и средних песков и золошлаковых смесей из отвалов ТЭС. Смесительные установки состоят из агрегата питания, агрегата-дозатора цемента, конвейера, смесительного агрегата и пульта управления. Производительность таких смеси- Рис. 6.11. Дозаторы непрерывного действия для сыпучих материалов' а — одноступенчатый с электрической связью датчика и регулятора, б — одноступенчатый с электронной системой регулирования, в — двухступенчатый с вибропитателем и электронной системой регулирования, 1 — весовой транспортер, 2 — регулируемая заслонка, 3 — дополнительный привод заслонки, 4 — усилитель, 5 — датчик массы,
6 —• тензометрический датчик, 7 — вариатор, 8 — командоаппарат, 9 — двигатель; 10 — редуктор; 11 — вибролотковый питатель, 12 — бункер, 13 — электромагнитный вибратор, 14 — магнитный усилитель, 15 — электронный усилитель, 16 — индуктивный датчик тельных установок зависит от крупности обрабатываемого материала: до 170 м3/ч(на каменных материалах), до 40—70 м3/ч (на пылеватой супеси). Скоростное строительство магистральных дорог требует создания грунтосмесительных установок большой производительности (200—240 м3/ч) при влажности грунта 7—10 %. Типы и основные параметры цементобетонных заводов определяются производительностью завода, способом транспортирования смеси, климатическими условиями. Удельные капиталовложения на крупных заводах меньше, чем на мелких заводах той же суммарной производительности. Стоимость децентрализованных хозяйств на 20—30 % превышает сметную стоимость центрального завода. Целесообразность того или иного типа завода должна быть выявлена в результате технико-экономического анализа. При выборе смесительной машины кроме технологических соображений необходимо сопоставить их технико-эксплуатационные показатели: энергоемкость, металлоемкость, удельную производительность. Требуемая производственная вместимость (по выходу) смесительных машин V — 77 г-1000 “ _ zgcCrpkckr ’ где Пт — годовая производительность завода, мз/Год, г — число замесов (цикл в час); gc — число часов в смене, С — число смен в сутках, Гр — число рабочих дней в году, kc, kT — коэффициенты использования машин соответственно в смену и в течение года. 193
7 П/р В И Баловнева . Число смесительных машин т - V[Vti, где Vo — объем принятой машины, л. Дозировочное и другое вспомогательное оборудование выбирают в соответствии с принятой маркой смесительной машины, схемой компоновки узла и применяемой системы автоматизации технологического процесса. Структурная схема комплекса аппаратуры для автоматизации бетоносмесительных установок приведена на рис. 6.10. Принципиальные схемы автоматических дозаторов непрерывного действия даны на рис. 6.11. При эксплуатации оборудования заводов необходимо выполнять общие требования техники безопасности, относящиеся к любой строительной машине, а также специфические требования. При этом особое внимание следует обращать на состояние фрикционных муфт и тормозов, конечных выключателей и стопорных устройств, так как неудовлетворительная их работа может привести к авариям и травмам. 6.3. МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ Продукция смесительных заводов доставляется потребителям в виде готовой бетонной смеси, сухой смеси автосамосвалами и автобетоновозами, а также автобетоносмесителями, готовая смесь транспортируется автомобилями-самосвалами с центральной или боковой выгрузкой и специальными бетоновозами с побудителями и без побудителей. Автобетоновозы с побудителями транспортируют смесь на расстоянии до 25—30 км (не более 1—1,5 ч), а без побудителей до 5 км. Такие автобетоновозы по сравнению с автобетоносмесителями обеспечивают перевозку жестких бетонных смесей и увеличение коэффициента использования грузоподъемности машин благодаря отсутствию дополнительного оборудования водяной системы. Автобетоновозы без побудителя отличаются простотой конструкции. Кузов автобетоновоза поворачивается гидроцилиндрами под любым углом (в диапазоне 180°) на любую сторону и назад. В качестве дополнительного оборудования автобетоновоз имеет съемный желоб, используемый при укладке смеси в узкую опалубку или при выдаче ее в бадью. Ряд автобетоновозов унифицирован; они работают в режиме автобетоносмесителя. В этом случае вода для затворения подается в смесительный барабан одновременно с загрузкой автобетоновоза компонентами сухих бетонных смесей. Перемешивание производится по пути следования к объекту выдачи. Они работают при температуре окружающего воздуха в диапазоне (—40)—(+40) °С. Их элементы утеплены теплоизоляционным слоем из пенополиуретана. Автобетоновозы принадлежат к типу машин большой грузоподъемности, рабочим органом которых является барабан сигарообразной формы. Оборудование автобетоновозов смонтировано на специальном седельном полуприцепе к тягачам. Автобетоно-возы могут загружаться от специальных установок передвижных или стационарных бетонных заводов, приспособленных для выдачи готовых и сухих бетонных смесей в автобетоносмесители. Автобетоносмесители применяют как для транспортирования готовой бетонной смеси, получаемой на заводах и установках товарного бетона, так и для приготовления бетонной смеси из сухих компонентов, загружаемых в его барабан. Применение автобетоносмесителей значительно увеличивает расстояния транспортирования бетонной смеси. Автобетоносмесители выпускают на шасси грузовых автомобилей типа КамАЗ, КраЗ и др., на которых монтируют смесительный барабан с его приводом, систему подачи воды, загрузочное и разгрузочное устройства и рычаги управления смесительным барабаном (рис 6.12 и 6.13). Смесительный, барабан имеет три точки опоры, в передней части он через цапфу опирается на главный опорный подшипник, а в задней части через бандаж — на два опорных ролика. Две винтовые лопасти обеспечивает захват компонентов из горловины и подачу изнутри барабана, гравитационное смешивание и выдачу готовой смеси через лоток на ленточный конвейер или бетононасос, в бадью или непосредственно к месту укладки. Разгрузка n / I—t-JP v ■> BuriА    Риг 6 12 4втобегоносмесмель 1 - рычаг управлений декомпрессором, 2 — бак для воды, 3 ~ ведомая звездочка, 4 - главный подшипник барабана, 5 — смесительный барабан, 6 — бандаж, 7 — загрузочное устройство, 8 — лестница, 9 — рычаг управления муфтой сцепления, 10 — рычаг управления подачей топлива, 11 — рычаг управления механизмом реверсирования редуктор?, 12 — рама. 13 -- шасси, 14 — контрольно-измерительная аппаратура, 15 =- редуктор привода барабана, 16 — устройство для поворота лотка, 17 - лоток, 18 — опорные ролики

Рис. 6.13. Кинематическая схема автобетоносмесителя: / — насос для подави воды; 2 — ведомый шкив; 3 — натяжной ролик; 4 — двигатель; 5 — муфта сцепления; 6 — карданный вал; 7 — редуктор; 8 — цепная передача; 9 — главный опорный подшипник; 10 — барабан; 11 — бандаж; 12 — опорный ролик барабана автобетоносмесителя производится при обратном вращении барабана. Система подачи воды состоит из бака, насоса, дозатора и насадка, направляющего струю воды внутрь барабана. Вода в смесительный барабан подается в момент приготовления смеси; после выгрузки барабан промывается. Экономически выгодным являются автобетоносмесители объемом готового замеса 3—10 м®. Мощность двигателя привода барабана 6—7 кВт на 1 м3 готового замеса, частота вращения барабана 3—18 об/мин. Барабаны автобетоносмесителей имеют меньший диаметр, большую длину, чем барабаны стационарных смесителей, и характеризуются большим коэффициентом загрузки, принимаемым равным 0,8—0,9. Расчет основных параметров бетоносмесителей, установленных на автобетоносмесителях, выполняют по формулам, рассмотренным выше. Динамический расчет и определение показателей надежности выполняют методами, рассмотренными в гл. 4. Тяговый и энергетический баланс, расчет продольной и поперечной устойчивости осуществляют на основании методов, изложенных в гл. 2. 6.4. МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ РАБОТЫ С БИТУМОМ Рабочая температура битумных материалов определяет способ их перевозки, хранения и подачи потребителю. Рабочая температура твердых нефтяных битумов 130—180°, твердых сланцевых битумов 120—130 °С, жидких битумов колеблется от 10—20 до 60—120 °С, каменноугольных и торфяных дегтей, применяемых в дорожном строительстве, 40—120 °С. Рис. 6.14. Классификация битумохранилищ Наиболее сложных устройств требует битумное хозяйство при применении твердых нефтяных и сланцевых битумов. Доставка этих материалов с мест их добычи и переработки производится в специальных вагонах-цистернах или бункерных полувагонах. Цистерны наполняют битумом при температуре около 200°. При наличии термоизоляции битум в течение 8—10 дней сохраняет температуру, обеспечивающую его текучесть и слив из цистерн самотеком. Через 8—10 дней битум застывает и для слива его необходимо подогреть до температуры текучести (60—80 °С). Широко применяют бункерные полувагоны с четырьмя опрокидывающимися бункерами. Бункера двухсменные, с расстоянием между стенками. Бункера заполняются горячим битумом, который в пути застывает. При разгрузке в полости между стенками подают пар. В местах соприкосновения с внутренней стенкой тонкий слой битума расплавляется. При опрокидывании бункера битум вываливается из него. Применение бункерных полувагонов в летнее время затруднительно, так как битум находится в текучем состоянии. Для подогрева битумных материалов перед разгрузкой из цистерн и полувагонов в хранилище получили распространение передвижные парообразователи, применяемые гакже для местного подогрева битума в хранилищах временного типа, не снабженных постоянной системой подогрева. Классификация битумохранилищ. Хранилище представляет собой резервуар вместимостью 100—3000 т, который предназначен для хранения битума и его подогрева до температуры 80— 100°, обеспечивающей возможность перекачки его насосами в нагреватель битума, или до рабочей температуры 130—180°. Хра- Рис. 6.15. Битумохранилища различных типов: а —* ямного, б — полуямного; в — наземного; г — подземного; д —• переносного инвентарного нилища должны предохранять битум от обводнения и загрязнения, сводить к минимуму потери при хранении. По конструкции и назначению хранилища бывают постоянного и временного типов, закрытые и открытые (рис. 6.14). В зависимости от положения резервуара относительно поверхности земли различают хранилища подземного, ямного, полуямного и наземного типов. В хранилище подземного типа резервуар находится ниже поверхности земли. Хранилища этого типа устраивают закрытыми. В хранилищах ямного типа резервуар представляет собой котлован. В таких хранилищах постоянного типа стенки устраивают из бетона или железобетона, а дно укрепляют слоем цементного бетона. В хранилищах полуямного типа резервуар частично находится в котловане, а частично в насыпи, образуемой в грунте, вынутом из котлована (рис. 6.15). Такую конструкцию применяют при близком расположении грунтовых вод и для уменьшения объема земляных работ. В хранилищах наземного типа резервуар находится на поверхности земли. Применяют их при близком стоянии грунтовых вод. В зависимости от наличия подогрева и его устройства различают хранилища без подогрева, с местным подогревом и с общим подогревом. В хранилищах без подогрева для забора битума применяют передвижные устройства — змеевики и парообразователи. В хранилищах с местным подогревом система подогрева состоит из змеевиков, по которым пропускают теплоноситель. Обеспечивается подогрев битума, непосредственно прилегающего к нагревательному устройству. В хранилищах с общим подогревом постоянная система подогрева обеспечивает подогрев всего битума, находящегося в хранилище, до состояния текучести, а части его, стекающей в малый резервуар, до температуры, обеспечивающей перекачивание насосами. Эти хранилища часто имеют две системы змеевиков. В зависимости от вида теплоносителя различают хранилища с паровым, масляным, газовым и огневым подогревом. Получили распространение хранилища линейной планировки параллельным или последовательным расположением основных и дополнительных отсеков. Выполняют их в основном из сборных железобетонных элементов. Днище основных отсеков имеет уклон в сторону дополнительных отсеков. Перекрытие резервуара должно исключать попадание внутрь осадков. Общий подогрев основных отсеков паровой, реже — масляный. Для местного нагрева битума применяют паровой, огневой и электрический нагрев. При линейной планировке хранилищ сокращаются простои железнодорожного транспорта под разгрузкой. Обогрев инвентарных хранилищ осуществляют посредством масляного, реже — парового и электрического нагрева. Электрические нагреватели применяют только для поддержания рабочей температуры битума. При малой площади нагрева и высокой температуре нагревателей в битуме образуются смолоподобные соединения. Электронагреватели применяют открытого типа. Они состоят из несущего элемента — асбоцементной трубы с навитой по наружной поверхности нихромовой спиралью из ленты. Перед работой нагреватель должен быть погружен в битум, а при работе не должен оголяться. Нагреватели с высокой проводимостью из стальной проволоки диаметром 5—6 мм представляют собой спираль, вставленную в асбоцементную трубу; концы проволоки пропущены через стенку трубы и закреплены. Пластинчатые (пакетные) нагреватели изготовляют из листовой гофрированной жести. Коаксиальные (соосные) пакетные нагреватели состоят из отдельных элементов, собранных в ряд по 40—50 шт. и соединенных последовательно. Трубчатые электронагреватели (ТЭН) представляют собой трубку из мягкой стали, реже — красной меди или латуни, внутри которой находится спираль из нихрома. Пространство между спиралью и трубкой заполнено тонкомолотым электроизоляционным материалом. Затраты на энергию при электрическом нагреве битума больше, чем затраты на огневой нагрев. Системы огневого нагрева применяют в битумохранилищах для нагрева битума до температуры перекачивания, в битумонагревательных котлах для обезвоживания и нагрева битума до рабочей температуры, а в автобитумовозах и автогудронаторах для поддержания рабочей температуры битума. Системы огневого нагрева битума просты по конструкции, надежны в эксплуатации, имеют малую металлоемкость. Для нагрева битума в битумохранилищах наиболее простой и безопасной является система с зоной горения топлива в жаровой трубе. Система состоит из горизонтальной жаровой трубы, вертикальных труб — воздухопроводящей и вытяжной, пропущенных через кровлю битумохранилища. Основные размеры битумохранилищ определяют исходя из вместимости Q. Колодец должен вмещать битума не меньше, чем его расходуют за рабочую смену. При определении размера Рис. 6.16. Битумный насос низкого давления: 1 — заглушка; 2 ■— крышка насоса; 3 — верхний патрубок; 4 — корпус насооа; 5 — подвод пара в паровую рубашку; 6 — отверстие выдачи битуиа
колодца исходят из высоты Н от дна колодца до уровня битума в большом резервуаре. Высоту эту обычно принимают равной 1—1,5 м. При расчете принимают, что приток битума в колодец из большого резервуара отсутствует. Принимают, что расход р за смену 1 т битума при температуре 25° С имеет объем 1 м3, коэффициент его расширения а = 0,0017. Увеличение объема (м3) битума при повышении рабочей температуры до 180°С А У = 0,0017 (t — 25°) Р, где t = 180° С. При рабочей температ-уре объем битума, расходуемого за смену (м3): Vt= Р 10,0017 (t — 25°) + 1 ]. Объем колодца (м3) V„ = V*. При квадратном сечении колодца VK = агН, откуда а = yVjH. Количество битума, находящегося в колодце, незначительно и составляет не более 1—2 % общего объема битумохранилища. Поэтому при дальнейших расчетах исходят из общей вместимости битумохранилища Q (т). Тогда объем битума (м3), находящегося в большом резервуаре при температуре текучести (60° С): Q 10,0017 (60° — 25°) + 1]. рез
Основные внутренние размеры битумохранилища: глубину Н, длину L и ширину В определяют исходя из объема битума, находящегося в большом резервуаре, Vves. Высоту Н не рекомендуется брать меньше 1—1,5 м. Верхний край резервуара должен возвышаться над уровнем битума на 0,2—0,3 м. Расчет параметров битумного насоса. На битумных базах и асфальтобетонных заводах битум транспортируется по трубам. Перекачку битума осуществляют насосы с внешним зацеплением (рис. 6.16). В процессе транспортирования битума по трубам его температ^м снижается, а вязкость повышается. Целесообразно битум перекачивать при температуре не ниже 90°С. При температуре около 100 °С обводненный битум перекачивать трудно. Насос перекачивает значительную часть паров воды. Обогрев битумных насосов осуществляется паром или горячим маслом, которые подаются в специальные полости в корпусе битумного насоса, или насосом, установленным непосредственно в перекачиваемом горячем битуме. Поскольку битум, особенно обводненный, плохо всасывается битумными насосами, сопротивление входных патрубков должно быть как можно меньше, а насосы необходимо располагать на уровне днища цистерны. Для битумохранилищ применяют погружаемые насосы с приводом через трансмиссионный вал от электродвигателя. Существует внутренний и наружный обогрев трубопроводов. При наружном обогреве трубопроводы для подачи битума имеют наружную рубашку для обогрева и теплоизоляцию. Для обогрева битумопроводов часто применяют пар. Диаметр трубопроводов определяют по заданной скорости v (м/с) движения битума по трубопроводу. При применении битумных насосов низкого давления (до 0,5 МПа) скорость движения битума по трубопроводу принимают равной 3—4 м/с, при применении битумных насосов высокого давления (до 2,5 МПа) скорость движения битума 5—6 м/с. Внутренний диаметр (м) битумопровода d = У 4/7/пи, где П — секундный расход битума (подача насоса), м3/с; о — скорость движения битума по битумопроводу, м/с. Для ламинарного режима потери давления (МПа) на 1 м длины трубопровода ртр = 0,32 vv/g(P, где v — коэффициент кинематической вязкости битума, мг/с; g — ускорение свободного падения. Для турбулентного режима потери давления (МПа) на 1 м длины трубопровода ртр = 0,01Ь2/2 dg, где Я — коэффициент сопротивления трубы, зависящий от шероховатости стенок и степени их загрязнения, при диаметре трубы 0,057 — 0,150 м для новых труб % = 0,02804-0,0237, загрязненных X = 0,0373-b0,03i 1, для старых А, = -= 0,0506 н- 0,0428. При общей длине битумопровода L (м) потери давления на трение в трубе (МПа) Ра ~ ^-Ртр- Сопротивления битумопроводов движению битума зависят от вязкости битума и характера течения, определяемого числом Рейнольдса по формуле Re = vd/v. При Re < 2320 режим движения жидкости ламинарный, при 2320 < Re < 13 000 режим движения битума неустойчивый, при Re > 13 ООО режим движения битума турбулентный. Местные потери напора в кранах, коленах и фильтрах (м): К = £0,01w*/2g, где | — коэффициент местного сопротивления. Коэффициент сопротивления | в коленах трубопроводов зависит от угла поворота колена (°). При угле поворота 20 и 180° коэффициент \ соответственно 0,09 и 3. Коэффициент сопротивления в отводах зависит от соотношения диаметра трубы и радиуса отвода при d/R = 0,4 g = 0,14, при d/R —21 = 2. Коэффициент сопротивления пробковых кранов в зависимости от угла ос поворота проходного сечения пробки к оси трубы принимает следующие значения: при а — 5° £ = 0,05; при а = 45° £ = 31,2; при а = = 65° \ = 486. Для полностью открытого вентиля коэффициент сопротивления принимается | = 0,6. Зная потери на трение в трубопроводе рп, сумму местных сопротивлений 2jPm и высоту подачи битума или рабочее давление в битумопроводе рр д, находят давление битума (МПа), которое должен создавать насос: Рр ~ 1Л (Ра Е Рм ~h Pp. д)» где 1,1 — коэффициент запаса. Мощность двигателя (кВт), необходимая для привода насоса: м = РрСт/юч где рр — давление битума, МПа; QT — теоретическая подача насоса, м3/с; т] — КПД передачи от двигателя к насосу, т\ = 0,8-j-0,85. Параметры насоса выбираются по подаче, задаются модулем, числом зубьев и частотой вращения шестерни. Модули шестерен битумных насосов принимают в пределах 10—20 мм. Наружный и начальный диаметры шестерен насоса (мм) D„ = т (z + 2); De == mz, где т — модуль зуба мм; г — число зубьев шестерен, принимаемое равным 8, 10 и 12. Частота вращения шестерен насоса (об/с) я = v0JnDH, где иок ~ окружная скорость вершин зубьев шестерен, м/с, у битумных насосов рок = \,5-~2 м/с при перекачивании битума температурой 90—95°С и v0K = = 24-3,5 м/с при перекачивании обезвоженного битума и подаче его под давлением. Ширина шестерен (мм) В — kBm, где kB — коэффициент ширины шестерен, = 84-12. Теоретическая подача битумного насоса (м3/мин) Рис. 6.17. Классификация машин для транспортирования и распределения битума и вяжущих материалов Действительная подача насоса (м3/мин) Qd — ФтЛоб’ где т)0б — объемный КПД насоса. Для насосов низкого давления, применяемых для перекачивания обводненного битума, г]об = 0,7—г—0,75, а для насосов высокого давления при подаче битума в смеситель г)об = 0,9-М),95. Тепловой расчет битумохранилищ рассмотрен ранее в п. 3.2. Оборудование для разогрева битума до рабочей температуры. Нагреватели битума могут быть оборудованы обогревательными устройствами в виде топок для твердого, жидкого и газообразного топлива, из которых горячие газы проходят по жаровым трубам и дополнительным газоходам, установленным внутри котла, и змеевиками для пропуска пара или масла, расположенным внутри котла. При определении количества полезной теплоты необходимо иметь в виду, что в котел в большинстве случаев поступает битум, подогретый до температуры 80—100°С, ив котле происходит только его подогрев до рабочей температуры (140—160° С). Тепловой расчет см. в п. 3.2. Машины и оборудование для транспортирования и распределения битума (автобитумовозы и автогудронаторы) (рис. 6.17). Для распределения на поверхности дорожного покрытия битумных вяжущих материалов как горячих (битум, деготь), так и холодных (эмульсии, разжиженные битумы и дегти, мазут, нефть) ровным слоем в определенных количествах (от 0,5 л/ма и более) предназначены автогудронаторы (гудронаторы). Для обеспечения достаточного проникания битума в глубь обрабатываемого ще- Рис. 6.18. Схемы машин для транспортирования и разлива битума: а — автобитумовоз; б — автогудронатор; / — базовое шасси; 2 — указатель уровня; 3 — цистерна; 4 — термометр; 5 — люк; 6 — горелка; 7 — сливной трубопровод; 8 — опорное устройство; 9 — огнетушитель; 10 — заливной люк; И — топливная система; 12 — стояночный тормоз; 13 — штурвал открытия клапана; 14 — рычаг большого ко-леса; 15 — рычаг управления правым краном; 16 — двигатель; 17 —» распределительная система
5) -
беночного слоя распределение производится под давлением 0,2— 0,6 МПа, что способствует лучшему сцеплению битумного материала со щебнем. Гудронаторы классифицируют по назначению — гудронаторы строительные и ремонтные. Строительные гудронаторы обычно имеют бак вместимостью 3000 л и выше (до 20 000 л), а ремонтные — бак небольшой вместимостью (до 400 л). Гудронаторы бывают ручными, смонтированными на ручной двухколесной тележке (ремонтные); прицепными, смонтированными на автомобильном прицепе или на специальной тележке, присоединяемой к большегрузной цистерне; полуприцепными, смонтированными на полуприцепе седельного типа; самоходными, смонтированными на шасси грузового автомобиля (автогудронаторы) (рис. 6.18). Рабочие операции в автогудронаторе осуществляются с помощью насоса. Компрессорные гудронаторы наполняются в результате разрежения, создаваемого в цистерне с помощью компрессора, а распределение производится под давлением сжатого воздуха в цистерне. Автогудронаторы применяют при постройке щебеночных и гравийных покрытий способами поверхностной обработки, пропитки и смешения на месте. Они должны обеспечивать: забор материала на битумной базе из нагревателей битума и битумохранилищ; сохранение температуры битумного материала в цистерне при транспортировании его без подогрева и подогрев материала до t ~ 160-^—180 °С; возможность транспортирования битумных материалов на значительные расстояния; равномерность распределения битумных материалов с точным регулированием норм разлива на единицу поверхности; распределение материала под давлением. Основными частями гудронатора являются: цистерны для битумного материала; отопительная система; цирку-ляционно-распределительная система, посредством которой осуществляется циркуляция материалов при подогреве и их распределение; битумный насос с приводом от коробки передач автомобиля или от отдельного двигателя; система управления; шасси, на котором установлены агрегаты. Цистерна имеет теплоизолирующий слой, проложенный между стенками цистерны и кожухом для предохранения вяжущего материала от остывания. Внутри цистерны имеются перегородки для уменьшения силы удара жидкости о стенки во время движения автогудронатора. Сверху расположен загрузочный люк с фильтром. Цистерна имеет указатель уровня, термометр с выводом сигнала на панель. Внутри цистерны установлены жаровые трубы и сливная труба. Нагревательная система автогудронатора имеет две форсунки. Для разогрева битума в трубах и в насосе имеется переносная форсунка. Горячие газы, образующиеся при сгорании топлива, проходят по жаровым трубам, разогревают вяжущий материал и выходят через дымовую трубу. Распределительная система автогудронатора (рис. 6.19) позволяет выполнять следующие операции: перекачивать горячий или холодный вяжущий материал из котла в цистерну; перемешивать материал во время подогрева; распределять вяжущий материал через сопла распределительных труб; распределять вяжущий материал через ручной распределитель и с перепуском части его в цистерну; отсасывать остатки вяжущего материала из распределительной системы; перекачивать вяжущий материал из одной емкости в другую; освобождать цистерну от остатков вяжущего материала. Распределительные трубы предназначены для равномерного разбрызгивания вяжущего материала по покрытию. В отверстия труб вставлены сопла. Распределительные трубы можно поднимать и опускать на нужную высоту, а также поворачивать соплами вверх по окончании розлива, чтобы битум не затекал в сопла и не застывал в них. Прицепные гудронаторы позволяют использовать для перевозки битума цистерны, более простые, чем у автогудронатора, и обслуживать одним гудронатором несколько цистерн. Прицепной распределитель битума имеет оборудование для розлива Рис. 6.19. Дозировочно-распределительная система автогудронатора: I — люк; 2 — кракы; 3 — штуцер; 4 — трубопровод соответственно выдачи и приемный; 5 — циркулярный кран; 6 — система обеспечения расхода на единицу длины; 7 — выходной вал; S — солнечные шестерни, 9 — ось сателлитов; 10 — расходомер; 11 —• вариатор; 12 - опорное колесо; 13 - распределитель, 14 - - битумный насос вяжущих материалов, двигатель, насос и распределительную систему. Принцип его работы не отличается от работы описанного выше автогудронатора. Распределитель соединен с цистерной гибким рукавом. Автобитумовоз (см. рис. 6.18, а) предназначен для транспортирования и разогрева битума и своей системы распределения не имеет. Он-может работать с прицепным гудронатором. Важным вопросом при конструировании гудронаторов является обеспечение возможности регулирования нормы удельного расхода битума при распределении. Удельный расход битума <?уд (л/м2) зависит от скорости v (м/мин) движения автомобиля, подачи насоса QH (л/мин) и длины L (м) распределительной трубы: *7уд ~ QJ(vL). Для увеличения qya необходимо повысить QH при сохранении v и L или при постоянных QH и L уменьшить V. Автоматическое устройство контроля удельного расхода битума представляет собой расходомер жидкости объемного типа. Расходомер включен в систему, через которую жидкость протекает из цистерны к распределительным трубам. При вращении ротора счетчика вращается тахогенератор и по шкале логометра, связанного с тахометром, определяют удельные расходы жидкости. Производительность автогудронаторов (л/ч) зависит от удаленности битумной базы от места розлива, а также от организации работ по розливу и набору битума: где V — полезная вместимость цистерны гудронатора, л; kB — коэффициент использования по времени, £в = 0,85-4-0,95; Т — время, затрачиваемое автогудронатором на один рейс. мин. Время, затрачиваемое автогудронатором на один рейс: Т = tH + ~zr~ 60 + 60 -|- /р -)- /м + tn, где /н — время, затрачиваемое на набор битумного материала, мин, ta = 10-f--Н15 мин; Li —■ расстояние от базы до места работ, км; vT — скорость движения груженого гудронатора, км/ч, vr = 20-f-25 км/ч; vn — скорость движения порожнего гудронатора, принимают vn = 30-Н40 км/ч; — время, затрачиваемое на распределение материала, <р = V/QH, при V ~ 3000 л <р= 3-ь5 мин, при V = 5000 л (р = 4-~8 мин; /м — время, затрачиваемое на маневры на базе и у места розлива, £ц,= 4-ьб мин; tn — время, затрачиваемое на подготовку к распределению, ta — 5-^10 мин. Для обеспечения бесперебойной работы автогудронатора число обслуживающих его битумонагревателей должно составлять (при одинаковой вместимости) где ?н — время на нагрев битума в одном нагревателе, ч; Т — время на один рейс гудронатора, ч. Расчет насосной установки включает в себя определение: необходимых наибольшей подачи насоса и мощности двигателя для его привода. Подача насоса (л/мин) для обеспечения работы гудронатора Qh шах = Qуд max^-^по:тн> где (?уД шах — наибольший удельный расход; v — рабочая скорость гудронатора при распределении, соответствующая qyjl гаах, м/мин; Ln0лн — полная длина распределительных труб, м. По Qh max подбирают подачу насоса. Мощность двигателя насоса определяют по методике, рассмотренной выше. При этом рр должно быть таким, чтобы после преодоления всех сил сопротивлений, возникающих в циркуляционно-распределительной системе, разливаемый материал поступал на дорогу под соответствующим давлением. Исходя из наибольшей подачи насоса qa max (л/с) и трубы наименьшего диаметра dmln из труб, входящих в циркуляционнораспределительную систему, определяют наибольшую скорость движения битума: V = 4<7„ max/(ft^mln) • По v находят число Рейнольдса Re и потерю напора ртр на единицу длины. Коэффициенты местного сопротивления циркуляционно-распределительной системы автогудронатора определяют при входе трубопровода наполнения в насос (£х = 1); при выходе из насоса в трубопровод (£2 = 1); при проходе через повороты труб (£3 = А сфалмосмесятельяые установки Производательность 1
Более 400 т/ч =1-
150-350 т/ч
50 - 100 т/ч
До 40 т/ч
Полусгационарные Стационарные
Передвижные
Компоновка агрегатов Паргерная
Башенная
Комбинированная Непрерывного действия Цикличного действия смесителя Лопастной Вибрационный ........._1 барабана Сушильный Сушилыккмссительяый Рис. 6.20. Классификация асфальтосмесительных установок — 1: 3); при проходе через большой и малый трехходовые краны (I4 — £5 = 1.5); при проходе через сопла распределительной трубы (Ев = 1.5). Тепловой расчет автогудронаторов приведен в разделе «Теоретические основы рабочих процессов дорожных машин». Тяговый и энергетический баланс, расчет продольной и поперечной устойчивости, динамический расчет и определение надежности осуществляют методами, рассмотренными в гл. 2 и 4. 6.5. МАШИНЫ И ЗАВОДЫ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ асфальтобетонных смесей и восстановления старого асфальтобетона Асфальтосмесительные установки (асфальтосмесители) предназначены для приготовления асфальтобетонных и асфальтовых смесей. В асфальтосмесительных установках осуществляются следующие операции: сушка материалов, сортирование и дозирование его, дозирование битума, подача материалов из дозаторов в смеситель и их перемешивание. Нагрев битума осуществляется вне смесителя — в битумохранилищах и нагревателях битума. Смесь должна им*иь 1Шнерагуру: при использовании нефтяных битумов 130—160° С. При использовании сланцевых битумов температура смеси должна быть 110—130 °С. Перегрев смеси не допускается, поэтому необходим тщательный контроль за режимом подогрева минеральных и битумных материалов. Асфальтосмесительные установки классифицируют по технологическому процессу; по общей конструктивной схеме и по конструктивному оформлению отдельных узлов (рис. 6.20). По времени проведения дозирования и способу перемешивания различают две группы смесителей: с дозированием минеральных материалов до сушки вне смесителя со свободным перемешиванием и с дозированием минеральных материалов после сушки и их принудительном перемешивании. Асфальтосмесительные установки бывают четырех типов: малой (до 40 т/ч), средней (50—100 т/ч) и большой производительности (150—350 т/ч) и производительностью более 400 т/ч. Производительность асфальтосмесительных установок является главным параметром. Асфальтосмесительные установки бывают передвижными, по-лустационарными и стационарными. Передвижные установки используют в основном при строительстве и ремонте дорог и прочих сооружений тогда, когда отсутствуют постоянно действующие асфальтобетонные заводы (АБЗ) или когда их создание экономически нецелесообразно. Асфальтосмесительные передвижные установки кроме ходового устройства оснащают механизмами само-монтажа и демонтажа. Асфальтосмесительные установки полуста-ционарного типа предназначены для постоянно действующих или редко перебазируемых асфальтобетонных заводов. По конструктивной компоновке асфальтосмесительного агрегата установки разделяют на башенные и партерные. По технологии смешивания различают асфальтосмесительные установки периодического и непрерывного действия. Освоено производство сборно-разборных асфальтосмесительных установок ДС-117-2Е, Д-617-2, Д-645-2Г и ДС-84-2. При влажности каменных материалов 5 % их производительность соответственно 25, 50, 100, 200 т/ч и установленная мощность двигателей 141, 315, 402, 783 кВт; длина (диаметр) сушильного барабана соответственно 5,6 (1,4), 7 (1,8), 8,4 (2,2), 10 (2,8) м. В основу конструкций современных установок положен принцип модульного агрегатирования с учетом взаимозаменяемости деталей, узлов и отдельных агрегатов. Степень унификации в среднем составляет 80 %. Обеспечена автоматизация операций дозирования, выдачи готовой смеси и нагрева минеральных материалов. Установки имеют высокие эргономические показатели. Асфальтосмесительные установки состоят из следующих агрегатов: питания, сушильного, топливного, пылеотделительного, смесительного, минерального порошка, бункера готовой смеси, расходных емкостей для битума, нагревателя битума, кабины управления. Агрегаты имеют блочную конструкцию. Агрегат питания служит для предварительного дозирования песка и щебня ленточными, питателями и равномерной подачи их в сушильный барабан. Современный агрегат питания состоит из ряда блоков. Каждый блок включает в себя бункер требуемой вместимости, ленточный питатель с вариатором для плавного регулирования производительности, вибропобудитель для предотвращения зависания материала на стенках бункера, решетку над бункером, исключающую попадание негабаритного материала. Настройка дозы, управление и контроль за работой питателей осуществляются дистанционно из кабины оператора. Каждый блок включается оператором по мере необходимости. Сушильный агрегат, основным компонентом которого является сушильный барабан, предназначен для сушки и нагрева до рабочей температуры каменных материалов. До поступления в барабан материалы проходят через колосниковый грохот. Здесь отсеиваются негабарит и инородные тела. В выпускаемых барабанах нагрев осуществляется форсункой с двумя сменными насадками для «тяжелого» и «легкого» топлива. Работу форсунки регулируют дистанционно, изменяя положения заслонок первичного и вторичного воздуха, и краном топлива. В кабине оператора расположены приборы контроля расхода воздуха и топлива, температуры отходящих газов и каменных материалов, автоматического контроля и поддержания пламени в сушильном барабане. Выпаривание поверхностной и гигроскопической влаги и нагревание песка и щебня до температуры 160—250 °С в сушильных барабанах происходит в основном вследствие радиационного излучения факела пламени и конвективного переноса теплоты от горячих газов материалу. Контакт минеральных материалов с горячими газами происходит при многократном подъеме лопастями и сбрасывании их в поток горячих газов; при этом достигается равномерное распределение материала по поперечному сечению барабана. Барабаны бывают с противоточной и поточной сушкой. При поточной сушке горячие газы и высушенный материал движутся в одном направлении, при противоточной материалы и газы движутся в противоположных направлениях. Коэффициент использования теплоты горячих газов в барабанах с противоточной сушкой выше, чем в барабанах с поточной сушкой. Цилиндрический сушильный барабан опирается на опорные ролики через бандажи. Они прикреплены к наружной поверхности барабана через компенсаторы температурных деформаций барабана и бандажей. Цилиндрические обечайки барабанов изготовляют сварными. Упругие эллиптические компенсаторы используют на сушильных барабанах малых диаметров. Упругие тангенциальные компенсаторы применяют на сушильных барабанах любых диаметров. Их крепят к обечайке сваркой или болтами. Процесс регулирования жестких регулируемых компенсаторов Рис. 6.21. Загрузочные устройства сушильных барабанов: а —ссыпной лоток; б — ленточный конвейер; < — вяброжелоб; I — сушкльныв бара-бан; 2 -» дымовая коробка трудоемкий. При больших диаметрах во избежание деформации обечайки шаг установки компенсаторов должен быть не более 2—2,5    ширины компенсатора; пояс обечайки в зоне крепления компенсаторов изготовляют шириной (4—5) b и толщиной (1,5—2)6 (Ь—ширина бандажа; б—толщина стенки барабана). Шарнирные тангенциальные компенсаторы применяют на сверхмощных сушильных барабанах. Со стороны дымовой коробки барабаны имеют отверстие для загрузочного устройства. Последнее состоит из лотка, проходящего через дымовую коробку и установленного под углом 60—70° к горизонтальной оси для предотвращения зависания материала. Для облегчения выхода газов из сушильного барабана материал подают в нижнюю часть барабана конвейером или виброжелобом. Возможна загрузка барабанов с помощью кольцевого элеватора (рис. 6.21). Барабан внутри разделен на три зоны. В первой зоне длиной 0,5—0,8 диаметра барабана расположены винтовые отбрасывающие лопасти, приваренные к обечайке барабана, обеспечивающие перемещение материала от загрузочного торца и предотвращающие его пересыпание обратно в загрузочную коробку. Угол подъема отбрасывающих лопастей составляет 45—60° к продольной оси барабана. Вторая зона имеет подъемно-сбрасывающие лопасти, параллельные оси барабана. Перемещение материала вдоль оси обеспечивается наклоном барабана к горизонту под углом 3—6°.    Производительность изменяют, меняя угол наклона. Подъемно-сбрасывающие лопасти бывают корытообразными мелкими (рис. 6.22, а); закрытыми глубокими (рис. 6.22, б); криволинейными мелкими (рис. 6.22, в); серповидными (рис. 6.22, г); закрытыми мелкими (рис. 6.22, д); закрытыми глухими (рис. 6.22, е); плоскими радиальными (рис. 6.22, ж); плоскими отклоненными вперед (рис. 6.22, з) или назад по ходу движения (рис. 6.22, и) и др. Закрытые глубокие лопасти имеют размеры: I = 0.2D; 1Х = 0,085D\ d. = 0,6D; а — 25—30°. Лопасти устанавливают в несколько рядов по длине барабана. В соседних рядах их смещают на полшага. Длина лопастей в осевом направ- Рис. 6.22, Схема расположения лопастей сушильного барабана: / — торец барабана с загрузочным отверстием; 2 — отверстие для выхода отработавших газов; 3 — отбрасывающие лопасти; 4 — подъемно-сбрасывающие лопасти; 5 — обечайка барабана; 6 — разгрузочные лопасти; 7 — отверстие для выхода высушенного материала лении I = 0,6-=-0,8 м. Лопасти холодной части барабана приварены, а в горячей части прикреплены болтами во избежание деформации вследствие неравномерного нагрева лопастей и обечайки. В третьей зоне длиной 0,4—0,6 диаметра барабана осуществляется разгрузка и там устанавливают плоские лопасти под углом 20—30° к оси барабана, что ускоряет продвижение материалов и предохраняет их от пережога радиационным излучением. Здесь расположены также серповидные лопасти, которые проносят материал над факелом и ссыпают его по периферии факела. Серповидная форма лопастей целесообразна, при малых размерах топки и камеры сгорания топлива в барабане. Вращение сушильного барабана осуществляется шестеренчатым, цепным или фрикционным приводом. Каждый бандаж барабана опирается на два опорных ролика'. Для снижения контактных напряжений ролики устанавливают попарно на балансирных опорах. Один из бандажей снабжают также двумя упорными роликами в виде дисков, закрепленных на осях, которые расположены с обеих сторон бандажа. Это предотвращает смещение барабана вдоль оси. Рис. 6.23. Разгрузочные устройства сушильных барабанов: а — ссыпной лоток; б —• ротационный элеватор; / — горячий элеватор; 2 — разгрузочный короб; 3 — барабан; 4 — ссыпной лоток; 5 — приемная воронка; 6 — роторный элеватор; 7 — обечайка сушильного барабана; 8 — топка Разгрузочный торец барабана входит в кожух разгрузочной коробки. Для барабанов малых диаметров применяют простые и надежные разгрузочные коробки с гравитационным ссыпанием материала, минуя топку, из барабана на лоток. Последний установлен под углом 45° к горизонтальной оси, что обеспечивает свободное ссыпание сухого материала в приемную воронку горячего элеватора. Такая система имеет большую длину лотка и требует заглубления приемной воронки горячего элеватора. Барабаны больших диаметров разгружаются при помощи встроенного роторного элеватора (рис. 6.23). Со стороны разгрузочной коробки барабана установлена топка. Околотопочную, зону сушильного барабана с внутренней стороны облицовывают плитами из жаростойкой стали. Топку изготовляют из листовой стали и внутри облицовывают огнеупорным кирпичом или жаростойким бетоном. Применяют необлицо-ванные кирпичом топки из жаростойкой стали. Режим горения и полнота сгорания топлива зависят от конструкции топки и форсунки, а также способа распыла топлива. На эффективность работы топливной системы влияет предварительный подогрев топлива и воздуха, поступающего в форсунки. Для нагрева топлива используют паровые или масляные теплообменники, а также теплоту отработавших газов из сушильного барабана. Смесительный агрегат обеспечивает сортировку нагретых каменных материалов, их дозирование и перемешивание, а также выдачу смеси. В современных установках для подачи в агрегат песка и щебня применяют вертикальный элеватор, а для их рассева гирационный грохот. Дозирование минерального порошка и каменных материалов осуществляется в отдельных дозаторах, дозы компонентов смеси устанавливаются из кабины оператора; битум вводится в смеситель под давлением 0,5 МПа через центробежные форсунки; ввод каменных материалов в весовой дозатор при приготовлении асфальтобетонных смесей III и IV марок осуществляется, минуя грохот. Установки имеют приборы для контроля температуры в бункере горячих материалов. Дозирование жидкого вяжущего материала и жидких активизирующих добавок в асфальтосмесительных установках осуществляют дозаторами объемного типа и расходомерами. Объемный дозатор поплавкового типа имеет простую и надежную в работе конструкцию. Приготовление асфальтобетонных смесей осуществляется в лопастных смесителях принудительного смешивания, которые разделяют на смесители периодического и непрерывного действия. Смесители имеют корытообразное днище-корпус, боковые и торцовые стенки, два вала с лопастями, синхронно вращающихся внутри корпуса навстречу один другому. Лопасти закреплены на валах посредством кронштейнов и расположены попарно, причем каждая пара лопастей повернута относительно другой пары на угол фкр = 90° смещения кронштейнов в смесителях периодического действия. По отношению к оси вала лопасти закрепляют на кронштейны под углом а, чаще всего равным 45°, что обеспечивает перемещение материала не только в плоскости вращения лопастей, но и вдоль корпуса смесителя. Смесители периодического действия имеют более короткий корпус, чем смесители непрерывного действия, материал загружается через люк в кожухе смесителя. Готовая смесь разгружается через открываемое днище-затвор. Существуют противоточная и поточно-контурная схемы движения смеси. При противоточной схеме лопасти установлены на валах так, что их вращение обеспечивает движение смеси от торцов смесителя к центру. В центре смесь собирается конусом и веерообразно растекается с вершины конуса. Центральные лопасти полностью загружены, лопасти у торцовых стенок загружены меньше. Поточно-контурная схема обеспечивает движение смеси вдоль валов. По одному валу смесь смещается в одну сторону, по-другому — в противоположную. В конце валов одна-две пары отбойных лопастей отгребают смесь от торцов и передают с одного на другой вал. Образуется замкнутое движение смеси по кон-туру — большой круг циркуляции. В средней части смесителя лопасти валов смещают смесь в разные стороны, что приводит к возникновению малых кругов циркуляции и более быстрому распределению компонентов по объему замеса. Лопасти по всей длине валов загружаются одинаково, изнашивание днища и лопастей идет равномерно. Однако лопастные валы нагружены значительными осевыми силами. Затворы лопастных смесителей периодического действия бывают трех типов: шиберными (выдвижными), секторными (поворотными) и створчатыми, которые разделяют на грейферные и лепестковые. Вибрационное перемешивание приводит к повыше- Рис. 6.24. Нагреватель битума: 1 — цистерна; 2 — отсек готового битума; 3 — кожух; 4 — расходная камера; 5,6,9 — насосные установки; 7 — теплообменник; 5—электронагреватели; 10— пароотделнтель; 11 — камера для предотвращения конденсации паров воды и возврата излишков битума от потребителя; 12 — топливная система нию качества асфальтобетонной смеси и более долговечной работе асфальтобетонного покрытия. По сравнению с традиционным этот метод не получил распространения в основном вследствие низкой долговечности деталей смесителя. Технология беспылыгого приготовления асфальтобетонной смеси осуществляется на основании использования двух способов. По первому способу минеральные материалы соединяются с битумом в двухвальном лопастном смесителе до сушки. По второму способу минеральные материалы с битумом соединяются в процессе сушки и нагрева материала в сушильно-смесительном барабане. Бункер готовой смеси обеспечивает бесперебойную работу установок при временном отсутствии автотранспорта. Существующие агрегаты имеют бункеры вместимостью 30, 50 и 100 т. Бункеры готовой смеси оборудованы скиповыми подъемниками. Агрегат минерального порошка предназначен для временного хранения и подачи заполнителя в смесительный агрегат. Для предотвращения зависания минерального порошка в емкости широко используют аэрацию воздухом и механические ворошители. Нагреватель битума (рис. 6.24) предназначен для обезвоживания и нагрева вяжущего материала до рабочей температуры. Способ обезвоживания заключается в смешении обводненного вяжущего материала с более горячим обезвоженным и последующим направлением битумной смеси на пароотделение. Основными составными частями нагревателя битума являются цистерна, теплообменник, пароотделнтель, насосные установки и топливная система. Цистерна разделена перегородкой на два отсека, сообщающихся между собой под перегородкой, где проходят жаровые трубы. В ее верхней части установлена камера для предотвращения конденсации паров воды внутри цистерны и возврата излишков битума от потребителя. Теплообменник служит для смешения обводненного предварительно нагретого до состояния текучести битума с уже обезвоженным, более горячим битумом. Пароотделнтель разбрызгивающего типа представляет собой цилиндрическую горизонтальную обогреваемую камеру, на торцах которой с одной стороны предусмотрено щелевое сопло, с другой — наклонная перегородка. Топливная система включает в себя выносную топку с форсункой, подогреваемую емкость для мазута, топливный насос, регулятор давления, электроподогреватель, вентилятор и топливопроводы. Асфальтобетонная смесь, находящаяся в бункере готовой продукции, охлаждается. Горячая смесь при выпуске должна иметь температуру 140—160 °С. В бункере при хранении допустимо снижение температуры смеси на 25° в течение 12—16 ч. Для замедления охлаждения смеси в бункере герметизируют затворы и обогревают выпускную воронку. Предпочтительна полная загрузка бункера. Это уменьшает отношение охлаждаемой поверхности к объему смеси. Выгрузка готовой смеси осуществляется в автотранспорт как из бункера готовой смеси, так и непосредственно из смесителя. Параметры термоизоляции бункера определяют методами, рассмотренными выше. Контрольно-диагностические системы асфальтосмесительных установок обеспечивают повышение качества асфальтобетонных смесей. Для оперативного контроля за ходом технологического процесса и техническим состоянием узлов и агрегатов оборудования используют автоматизированные системы. При этом сокращаются работы по определению физико-механических свойств исходных материалов и готовой смеси и обеспечивается своевременное техническое обслуживание оборудования. Контрольнодиагностические системы измеряют и регистрируют на бумажной ленте в цифровой форме данные о ходе процесса. Системы функционально состоят из двух автономных подсистем контроля и записи: параметров непрерывных рабочих процессов и параметров периодических рабочих процессов (дозирование компонентов асфальтобетонной смеси). После удаления старого асфальтобетона из ремонтируемого участка его используют повторно. При регенерации используют два метода горячей и холодной повторной переработки на месте или в стационарных смесительных установках. Регенерация материала асфальтобетонных покрытий методом холодной переработки в стационарных смесительных установках заключается в размельчении обломков и смешивании с добавлением эмульсии; смешивании полученного после холодного фрезерования материала в стационарных смесительных установках с добавлением эмульсий. Холодную регенерацию используют для сооружения покрытий с малым движением и нагрузкой, дорог в сельской местности и др. Широкое распространение получила регенерация материала асфальтобетонных покрытий методом горячей переработки. Горячая регенерация производится в существующих смесительных установках периодического действия. Эти установки при небольших затратах могут быть переоборудованы в регенерационные. / г Рис. 6.25. Основные схемы установок для восстановления старого асфальтобетона: а — традиционная установка с подачей старого асфальтобетона в двух технологических зонах; б — с косвенным нагревом старого асфальтобетона от перегретого нового материала; в — сушильный барабан с горелкой в защитном кожухе; г — с загрузкой старого асфальтобетона в средней части барабана; д — с двумя барабанами; е — с коаксиаль* ными барабанами; ж — с теплообменными трубками; 1 — бункер с измельченным старым асфальтобетоном; 2 — бункер с новым минеральным материалом; 3 — сушильный барабан; 4 — смеситель принудительного действия с дозатором; 5 — битум; 6 — транспортное средство; 7 — горелка с защитным экраном; 8 — сушильный барабан с загрузкой в средней части; 9 — сушильный барабан с нагревом от горячих газов от первого материала; 10 — сушильный барабан для нового материала; If — сушильный барабан для старого асфальтобетона; 12 — барабан с теплообменнымн трубками; 13— обогащение битумом Метод позволяет использовать 20—30 % снятого асфальтобе-юна. Асфальтобетон в кусках предварительно подвергается измельчению в дробилках. Материал, полученный с помощью холодного фрезерования, не измельчается, а добавляется к свежим и уже прошедшим через сушильные барабаны минеральным материалам, потом направляется в дозаторы и, наконец, непосредственно в смеситель с принудительным перемешиванием (рис. 6.25, а). По другим схемам загрузки в процессе смешивания происходит теплообмен между перегретыми в барабане минеральными материалами и снятым материалом, подаваемым в холодном состоянии. Это оказывает минимальное вредное воздействие на вяжущий материал. Добавляемое количество ограничено теплоемкостью минеральных материалов, временем, имеющимся
Рис. 6.26. Схема технологического процесса установки для восстановления старого асфальтобетона с подачей битума в среднюю зону сушильно-смесительного агрегата: / — агрегат питания; 2 — агрегат минерального порошка; 3 — нагреватель жидкого теплоносителя; 4 — кабина управления; 5 — емкость для битума; 6 — счетчик битума; 7 — топливный бак; 8 — вентилятор форсунки; 9 — дымосос; 10 — вихревой пылеуловитель; 11 — система водоснабжения; 12 — пылеотделитель; 13 — бункер выгрузки восстановленной смеси; 14 — накопительный бункер восстановленной готовой смеси; 15 — система опрыскиванйя; 16 — сушильно-смесительный агрегат с подачей битума в среднюю зону барабана; 17 — весовой ленточный конвейер для теплообмена, и содержанием воды в добавляемом материале. При высоких температурах возможно повреждение вяжущего материала в старом асфальтобетоне. Горячая регенерация в специальных барабанах смесительных установок позволяет перерабатывать до 100 % старого асфальтобетона без добавления (или с добавлением) новых заполнителей, битума и регенерирующих средств (рис. 6.26). Материал нагревается путем теплообмена от перегретого щебня и косвенным путем. При непосредственном нагреве барабаны одновременно загружаются старым асфальтобетоном и новыми материалами. Горелка находится в начале барабана, материал и пламя направляются параллельно оси барабана (см. рис. 6.25, в). Для обеспечения качества смеси и уменьшения загрязнения воздуха устанавливают защитный экран перед пламенем горелки. Он препятствует непосредственному контакту материала с пламенем. Модификацией метода является раздельная подача старого асфальтобетона и минерального сырья. При этом новый мине- пя    хдятрпмя яг vnv w обыпмл ппттрпгдртрсг Р^Д^ЙОТВИЮ ОТ' крытого пламени в первой трети барабана, старый асфальтобетон добавляется в центре его, а битум в его последней трети (см. рис. 6.25, г). Теплообмен путем перегрева щебня основан на использовании двух последовательно включенных барабанов (см. рис. 6.25, д). В первом новые минеральные материалы подвергаются сушке, перегреваются и затем подаются во второй барабан. В него подводится горячий воздух из первого. В смесителях с двумя коаксиальными барабанами (барабан в барабане) (см. рис. 6.25, е) старый асфальтобетон и минеральные материалы также подаются раздельно. Новые минеральные материалы высушиваются во внутреннем барабане. Старый асфальтобетон поступает в промежуток между внутренним и наружным барабаном, не соприкасаясь с пламенем. В конце внутреннего барабана расплавленный асфальтобетон соединяется с перегретым минеральным сырьем и перемешивается. Косвенный нагрев осуществляется расплавлением старого асфальтобетона с помощью теплообменных трубок, через которые пропускается нагретый воздух (см. рис. 6.25, ж). Однако более низкие температуры и большая продолжительность процесса теплообмена снижают производительность установок. Косвенный нагрев полнее отвечает требованиям охраны окружающей среды. Существуют установки, в которых сочетаются перечисленные методы. Оборудование для регенерации асфальтобетонных покрытий на месте в передвижных установках рассмотрено в разделе «Машины для содержания и ремонта покрытий дорог и аэродромов». Расчет основных параметров сушильного барабана и смесителя асфальтосмесительных установок. Расчет основных параметров сушильного агрегата включает в себя: определение размеров барабана (расчет уточняют по методике, рассмотренной в п. 3.2; определение сопротивлений вращению; расчет мощности и определение параметров газоочистительных устройств. Объем сушильнрго барабана (м8) определяют на основании заданной производительности Кб = ~а~ = ~Г’ где Гвл — количество удаленной влаги, кг/ч; А — количество влаги, удаляемой из 1 м8 барабана за ! ч, кг/(м3-ч); со — влажность материала, подлежащего сушке; Я — производительность барабана, кг/ч. Для барабанов с хорошо оборудованной тягой значения А могут быть приняты в пределах 125—175—250 кг/(м3-ч). Длину барабана находят из условий движения просушиваемого материала внутри барабана и времени, необходимого для просушки. При вращении барабана частицы материала подни- Рис. 6.27. Схема сил для расчета сушильного барабана: а — сопротивление подъему материала при вращении барабана; б ™ распределение давления на опорные ролики при неподвижном барабане маются лопастями и падают по вертикали вниз. За одно падение они перемещаются на расстояние АВ = Лср tg а, где hcр — средняя высота подъема, м, Аср = 0,60с Фб — диаметр барабана). Обозначая через t время пребывания материала в барабане, необходимое для его подогрева (2—4 мин), и через т — число падений частицы материала за один оборот барабана (т = 1,7-=-2,5), получают выражение для определения длины барабана (м): L6 = m/icp tg ant, где n — частота вращения барабана, об/мин, зависящая от диаметра барабана при окружной скорости; v = 0,75-7-0,85 м/с, п = 8-J-16 об/мин; а — угол наклона барабана к горизонту, а = Зн-5°. Так как Лср = / (£>б), то исходя из существующих размеров барабанов асфальтосмесительных установок необходимо выбрать /Необычно в сушильных барабанах асфальтосмесительных установок отношение _D6._JL._L L6 ~~ 4 "г‘ 7 • Окончательно значения и Ьц уточняют в результате теплового расчета. Частота вращения барабана (об/мин) после определения Lc может быть уточнена по формуле: п = L6/(tmhcр tg а). При работе сушильного барабана энергия затрачивается на преодоление сил следующих сопротивлений: подъема материала внутри барабана Wi, трения качения бандажей по роликам W2\ трения в цапфах опорных роликов №8 (рис. 6.27). Для расчета сил трения качения бандажей по роликам и в цапфах опорных роликов определяют силу (Н), с которой барабан давит на ролики: Р =(G* + Ge)/(zpcosT), где GM — сила тяжести материала в барабане, Н; Gg — сила тяжести барабана, Н; zp — число опорных роликов, zp = 4; у = 30°. Сила тяжести материала в барабане (Н) GM = рРмё> где Do, L(5 — диаметр и длина барабана, м; Р — коэффициент заполнения барабана материалом, P = 0,l-f-0,2; рм — плотность высушиваемого материала, кг/м8, рм = 1700 кг/мs; g— ускорение свободного падения, м/с*. При применении балансирных опор сила, с которой барабан давит на ролик: р __ Р _ 0м + 0б 6 2 cos a 2zp cos у cos а ’ где 2а — центральный угол расположения роликов на балансирной опоре. Сила (Н) сопротивления от трения качения бандажей по роликам, приведенная к радиусу ведущего элемента: W — ~Ь Ос) (^бнд 4-r) fei 2    Rs.sr cos у    ’ где /?бнд — радиус бандажа, м; г — радиус опорного ролика, м; ky — коэффициент трения качения бандажа по ролику, м; R3. в — радиус зубчатого венца барабана, м. Сила (Н) сопротивления от трения качения в цапфах опорных роликов, приведенная к радиусу ведущего элемента: ^ — (Ом Об) k'tr 3 r0RS' в cos 7 ’ где k2 — коэффициент трения качения подшипника опорного ролика, м; г0 — радиус цапфы опорного ролика, м. Силу сопротивления подъему материала лопастями вращающегося барабана определяют из условия равенства моментов сил, действующих на барабан при подъеме материала: Mi = Gub = в, отсюда 1Vx = GMb/RB.B, где Му — момент сил на подъем материала, Н-м; GM — сила тяжести материала в барабане, Н; Ь — плечо силы тяжести материала относительно вертикальной оси барабана, м. Смещение b центра масс материала относительно оси барабана зависит от его режима работы, определяемого частотой вращения барабана (рис. 6.28). Частота вращения барабанов (об/мин) п = kt/TTs, где k — коэффициент режима работы барабана, для медленновращающихся барабанов k = 8-г-Ю, для быстровращающихся k = 14-ь 16, для барабанов, вра- Рис. 6.28. Схема определения центра масс материала в медленно-вра-щающемся (а) и в быстро-вращающемся (б) барабане щающихся с промежуточной скоростью, k = 10ч-14; Re— внутренний радиус барабана, м. При медленном вращении поперечное сечение материала в барабане принимают за сплошной сегмент, центр масс которого находится от центра барабана на расстоянии, равном радиусу R6. Плечо b (м) силы тяжести материала определяют из условия, что при вращении барабана сегмент материала повернут относительно вертикальной оси на угол рм = 454-50°: b — Rq sin = (0,7 -4- 0,77) Rq. Для быстровращающихся барабанов материал в барабане подхватывается полками и распределяется кольцевым сектором с центральным углом сектора юм « 180°. Внутренний радиус (м) кольцевого сектора материала гья = Re V 1 — 2р/гпод/р, 'ПОД/ Не»
где &под — доля материала, поднимаемого лопастями от общего количества; рс— коэффициент заполнения кольцевого сектора материалом, Рс == 0,8ч-0,95. Плечо (м) силы тяжес'ги материала относительно вертикальной оси барабана Окружное усилие (Н) на зубчатом венце будет для медленно' вращающегося барабана — 0,75GMi?6//?3. в; для быстровращающегося барабана Окружное усилие на преодоление сил сопротивлений W    4С?М 30 Уе R% — гвн 1 3nRB. в 30 y~g + 2k R26 — rlH Мощность, необходимая для привода сушильного барабана (кВт): £ Wva, в/(1000т]), Рис. 6.29. Схема для определения параметров смесителя
где т] — КПД привода барабана. Расчет лопастных смесителей для приготовления асфальтобетонных смесей включает в себя расчет массы замеса, определение размеров, кинематических параметров и мощности привода смесителя. Основными параметрами лопастного смесителя является масса замеса, размеры смесителя (рис. 6.29) и длительность смешивания. Ориентировочно массу замеса (кг) определяют исходя из заданной производительности: тв = Ш ц/(3600£в), где — длительность цикла, с; kB — коэффициент использования смесителя по Длительность цикла работы смесителя = ^8 Н" ^СМ “Ь ^Р> где ta — время загрузки смесителя, tz длительность смешивания, с; 5 с.
tp — время разгрузки, зависящее от конструкции затвора смесителя, 1р Первоначально длительность смешивания задается. При по-точно-контурном смешивании /ом « 30 с. Размеры смесителя определяют следующим образом. Межцентровое расстояние валов смесителя (м) aw = 2R cos ф, где R — радиус корпуса смесителя, м; <р — угол между горизонтальной линией и линией, соединяющей ось вала со средней линией кромки днища. На практике ср = 40-н50°. При этом межцентровое расстояние валов (м) ^ = (1,41-М,53) R; ширина корпуса смесителя (м) bK = 2R + aw = (3,41 -г- 3,53) R\ длина корпуса смесителя /„ = Ькг|) = (3,41 -т- 3,53) R\|j, где тр — коэффициент, характеризующий форму корпуса смесителя, ^ = /К/ЬК, ^ = 0,7-г-1,4 чаще t|) = 0,85-ь 1. Площадь (м2) поперечного сечения рабочей части корпуса смесителя (ниже уровня осей валов) S = (2,8544-2,933) R2. Масса замеса тз — FPiPcm = *5^кр1рсм> где Pi — коэффициент заполнения корпуса смесителя материалом, Р^ 1; рсм — плотность смеси, р0|| = (1600-ь 1700) кг/м3;
та « 10/?3фР1ром.
Отсюда определяют радиус корпуса смесителя (м)
R = V ^/(Ю^Рсм).
Действительная частота вращения лопастных валов (об/мин)
пд = (15,3-ь-16,5) yfglR. Фактическая длительность смешивания (с)
Ig0,03 — lg (1 — 1А) ■
^ф. ом = ~z
lg (1 — ftoo)
где 1а — относительная концентрация компонента в зоне действия одного из лопастных валов, для неблагоприятного случая = 0; k0§ — коэффициент, характеризующий поперечный обмен, £0б = 0,04-4-0,05. По фактической длительности смешивания определяют длительность цикла iw массу замеса, радиус корпуса и межцентровое расстояние осей лопастных валов. По межцентровому расстоянию валов Оц, выбирают параметры шестерни привода редуктора (м): аш = гт, где г — число зубьев приводного зубчатого колеса редуктора; т — модуль зуба колеса, м. По параметрам шестерен приводного редуктора уточняют <р, Ьк, 1к, 5, V и т3. Высоту лопастей h и ширину b выбирают исходя из следующих ограничений. Если битум поступает самотеком или разбрызгиванием под небольшим давлением (0,3—0,4 МПа), то принимают h = 0,5/?; b = 0,42./?. При подаче битума в смеситель под большим давлением (1,5—2 МПа) h = 0,35./?; b = 0,57/?. Длина корпуса смесителя в зависимости от параметров лопастей и их числа 2Л /к = 2/х -)- b cos а + (b cos а + /) (гл — 1). Из этой формулы находят число парных (или одиночных) лопастей на одном валу: = — %h — b cos а . . л    Ъ cos a -f-1    ’ где — зазор между крайней лопастью и торцовой стенкой смесителя, 1г = 7ч-10 мм; Ь — ширина лопасти, мм; а — угол наклона лопастей к оси вала, а = = 314-45°; /— зазор между боковыми кромками соседних лопастей (по оси вала), I = 40-4-50 мм. Если z„ незначительно отличается от целого числа, то можно, изменяя I и Ь, получить целое число гл. Если расхождение будет большим, то задаются новым значением ip. Качество смешивания оценивается степенью равномерности распределения компонентов по всему объему и равномерности обволакивания всех зерен минерального материала битумной пленкой. Скорость равномерного распределения компонентов по объему замеса зависит от угла а установки лопасти к оси вала для обеспечения высокой скорости циркуляции смеси в продольном и в поперечном направлении, и способа ввода минеральных материалов в смеситель, а также от схемы движения смеси в корпусе смесителя. На практике а = 45°, что несколько превышает оптимальное значение. При а = 45° несколько меньше скорость поперечной циркуляции и больше скорость продольной циркуляции. Последнее целесообразно для удлиненных смесителей, когда отношение длины корпуса /„ к ширине корпуса Ьк больше единицы, т. е. lKlbK > 1. Лопасти, погружаясь в смесь, сдвигают ее в продольном и поперечном направлениях, разрыхляют и подбрасывают материал смеси вверх. Чем меньше угол установки лопасти к оси вала и больше частота вращения лопастных валов, тем больше развит верхний слой частиц, называемый кипящим слоем. Кипящий слой образуется, когда общая высота подбрасывания частиц смеси над уровнем осей валов hi = (1,14-1,3)/? (здесь R— радиус лопасти) и высота падения частиц смеси h2 = (1,34-1,5) R, а окружная скорость конца лопасти будет равна или больше скорости оседания частиц, т. е. Vn ^ voc или to R = gt, где v„ — скорость конца лопасти, м/с, ул = сoR; voc — скорость оседания частиц смеси с общей высоты падения частиц смеси Лг, м, иос = gt; со — угловая скорость конца лопасти, рад/с; R — радиус внешней кромки лопасти, м; g — ускорение свободного падения, м/с2; t — время падения частиц с высоты ht, с. Окружная скорость конца лопасти (м/с) ил = о>7? = (1,61 -н- 1,73) VgR. При смешивании песчаных мелкозернистых смесей лопастные валы имеют нормальную частоту вращения, при смешивании среднезернистых и крупнозернистых смесей — пониженную частоту вращения, когда ил < 2,7 м/с. Мощность? необходимую для привода лопастных асфальто-''месителей, определяют по методике, аналогичной методике определения мощности привода для смесителей бетона. Мощность, необходимую для привода лопастных валов смесительного агрегата (кВт), определяют и по эмпирической формуле б зависимости от массы замеса: при QM < 1400 кг N = 0,036QM; при QM > 1400 кг N = 30 + 0,018QM, | де Qu — масса замеса, кг. 225
* П/р В. В Баловаеаа Рис. 6.30. Схемы пылеосадительных камер: а — простая гравитационная пшлеосади1ельная камера; б полочная гравитационная вылеосадительная камера; в циклон, 1 пылеосадительная камера; 2 пылесбор-вый бункер; 3 шнек для удаления пыли; 4 — полки; б —* механизм стряхивания пыли Тепловой расчет сушильного барабана и расчет топки выполняют по методике, рассмотренной выше. Динамические нагрузки в элементах привода барабана и смесителя при неустано-вившемся движении определяют по методике, рассмотренной в гл. 4. Пылеулавливающие агрегаты асфальтосмесительных установок предназначены для очистки дымовых газов, удаляемых из сушильного барабана и других подсистем, от пыли, утилизации и подачи пыли в агрегат для последующего дозирования и ввода в смесь в качестве заполнителя. Пыль, уносимая из сушильного барабана, составляет 6—8 % массы высушиваемого песка. Запыленность выбрасываемых газов достигает 300—400 г/м3 при допустимой запыленности не более 150 мг/м3. Пыль “вселяется при работе горячего элеватора, грохота, дозаторов и смесителя. Во избежание выделения пыли агрегатами все щели надежно уплотняют, а под кожухами агрегатов создают разрежение путем отсоса воздуха (аспирации). Для очистки от пыли дымовых газов и аспирационного воздуха применяют различные пылеосадительные камеры (рис. 6.30). Схемы пылеулавливания бывают одно.} ступенчатыми и двухступенчатыми. Одна ступень предназначена для улавливания крупных частиц пыли, вторая для улавливания мелких частиц. Для улавливания пыли на асфальтосмесительных установках используют центробежные аппараты (циклоны). Степень улавливания частиц пыли размером 0,01—0,02 мм в циклонах составляет 0,85—0,95. Распространение получили циклоны НИИОГАЗ. Основным параметром циклонов является диаметр D корпуса, остальные параметры зависят от диаметра. Скорость движения газов во входном патрубке равна 12—22 м/с, а в выходном патрубке 5—10 м/с. При движении газов с большой скоростью во входном патрубке частицы пыли под действием центробежных сил отбрасываются к стенкам корпуса, оседают вниз и ссыпаются в пылесборник, откуда удаляются шнеком. Чем меньше диаметр D корпуса циклона, тем выше эффективность улавливания частиц. Улавливание пыли с частицами менее 0,05 мм эффективно осуществляется аппаратами мокрой пылеочистки [5]. Пылеулавливающие агрегаты современных установок производительностью до 25 т/ч имеют две ступени «сухой» очистки: первая состоит из дымососа пылеуловителя с циклоном-рециркулятором, вторая — из нескольких циклонов. В установках производительностью до 100 т/ч используют также две ступени очистки: первая — «сухая» — осуществляется в шести или десяти циклонах; вторая — «мокрая» — ударно-инерционного действия. В установках производительностью более 100 т/ч применяют три ступени очистки. Степень очистки — 99,5%. Предварительная очистка газов от крупной пыли размером более 100 мкм обеспечивает защиту технологического оборудования от газоабразивного изнашивания, так как крупные частицы вызывают наиболее интенсивное изнашивание. В качестве устройств предварительной очистки газов используют прямоточноосевые циклоны. Уловленную пыль возвращают не в горячий элеватор, а непосредственно в сушильный барабан; этим устраняется необходимость в дополнительном оборудовании (винтовом конвейере, пневмотранспорте и др.). Расчет системы пылеулавливающих устройств предусматривает определение количества очищаемых газов, выбор схемы и подбор числа очистительных аппаратов. Объем дымовых газов и воздуха (м®/ч), который необходимо очищать от пыли: Vоч = Уд. rki3600 £ SHva, где Уд. г — объем „ ,’мовых газов, удаляемых из сушильного барабана, м3/ч; kx — коэффициент подсоса воздуха через разгрузочную и дымовую коробки, kl = 1,2-г-1,3; 2 SH — суммарная площадь смотровых окон, неплотностей и щелей, м2; ин — скорость воздуха, проходящего через неплотности и смотровые окна, м/с, ti„ = kp у 2рр. к/р„ (kp — коэффициент расхода воздуха, kp — 0,6ч-0,8; Рр. к — разрежение под кожухами, необходимое для предотвращения выбива-1ия воздуха через неплотности, pv- к = 2-f-5 Па; рв — плотность воздуха, кг/м8, рв = 1,29 кг/м3). Асфальтосмесительные установки вследствие большого сопротивления пылеосадительных аппаратов оборудуют дымососом-вентилятором. Выбор дымососа осуществляют по конструкции пылеосадительных аппаратов первой и второй ступени. Дымосос устанавливают перед мокрой ступенью пылеочистки. Развиваемое дымососом давление (Па), равное потерям давления в системе движения газа, можно определить по формуле Ря = k (Pf + Рм + Рви + Рс. б + Pi + Pll)> где k—коэффициент запаса, k = 1,25-г-1,5; Pf— потери давления на трение в Газоходах, Па; 2 Рм — суммарные потери давления от местных сопротивлений, Па; рвн — внутренние потери давления в дымососе, Па, рън = 1,3рвых (Рвых — потери давления в выходном патрубке дымососа, Па); рс. с — потери давления в сушильном барабане, Па; pj, рц — потери давления на первой и второй ступенях пылеотделения, Па. Потери давления на трение в газоходах (Па) где Хт — коэффициент трения газов, Хт = 0,01-5-0,015; чд. г — скорость газов в газоходах, кд. г — 5-5-10 м/с; I — длина газохода, м; D — диаметр газохода, м. Сумма потерь давления (Па) от местных сопротивлений Zj Pu — S £иД грд г/2, где £ — коэффициент сопротивления, зависящий от угла а поворота трубы, при а = 20° % = 0,046; при а = 160° I = 2,84. Потери давления в выходном патрубке дымососа (Па) Рвых = гРд г/2. Потери давления, затрачиваемого на продвижение горячих газов через поток падающих материалов, в медленновращающихся сушильных барабанах рс.б = 50-4-100 Па, в быстровращающихся барабанах рс,б = 100—г— 150 Па. По выбранной конструкции аппаратов первой и второй ступени пылеотделения определяют давление рл. С учетом производительности и давления по каталогам подбирают марку и тип дымососа и определяют его КПД. Мощность (кВт) двигателя, необходимая для работы дымососа: А/__V очРп З.б-ЮЧэоЛм ’ где г)об — объемный КПД дымососа; т}м — КПД механической передачи от двигателя к дымососу. При нагреве битума посредством системы жаровых труб движение дымовых газов обеспечивается естественной тягой дымовой трубы или сочетанием дымовой трубы и работы вентилятора распыливании топлива [17]. ГЛАВА 7 МАШИНЫ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ КОМПЛЕКТЫ МАШИН ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ПОКРЫТИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ И АЭРОДРОМОВ 7.1. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ КОМПЛЕКТЫ МАШИН ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ЦЕМЕНТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ Состав комплектов машин для строительства цементобетонных покрытий. Машины для строительства цементобетонных покрытий в основном выпускают двух типов: машины с колесно-рельсовым ходовым устройством (для их работы необходимо наличие рельс-форм) и машины со скользящими формами с гусеничным ходовым устройством. Последние получили наибольшее распространение и их выпускают двух размеров: большой производительности для строительства магистральных дорог и взлетно-посадочных полос и малой производительности для дорог местного значения. Наиболее эффективно скоростное строительство цементобетонных покрытий осуществляется автоматизированными комплектами машин со скользящими формами. Комплект машин составляют группа основных машин и дополнительное технологическое оборудование. Основной группой машин комплекта являются: профилировщик основания (рис. 7.1, а), распределитель бетона (рис. 7.1, б), бетоноукладчик со скользящими формами (рис 7.1, в), бетоноотделочная машина и распределитель пленкообразующих материалов. В дополнительное оборудование входят: конвейер-перегружатель, тележка для арматурной сетки, вибропогружатель арматурной сетки, нарезчики продольных и поперечных швов, заливщик швов, трейлеры для транспортирования машин комплекта. Профилировщики дорожных оснований предназначены для разработки корыта в целинном грунте и профилирования его дна, а также для окончательного профилирования и уплотнения песчаного основания или основания из грунта, укрепленного вяжущим материалом. Они оснащены профилирующим и уплотняющим рабочими органами. По типу рабочего органа профилировщики бывают ножевыми и фрезерными. Ножевые профилировщики снабжены уплотняющим вибробрусом. Рабочий орган — отвал с профилирующим ножом. Он окончательно профилирует основание, срезая излишки грунта, и частично его перераспределяя. Механизмом подъема и опускания регулируют высоту заглубления. Фрезерный рабочий орган машины представляет собой отвал с закрепленными на нем фрезой для профилирования укрепленных грунтов или шнеком для профилирования песчаных оснований. Сменные резцы фрезы с пластинками из твердого сплава расположены по винтовой линии. Транспортер удаляет срезанный материал за пределы основания. Фрезу и отвал можно настраивать на плоский и на двухскатный поперечные профили основания. Уплотнение подстилающего песчаного основания осуществляется вибробрусом. Рис. 7.1. Машины автоматизированного комплекта для скоростного строительства цементобетонных покрытий: а — профилировщик основания; б — распределитель (перегружатель); в —• бетоноуклад-чик; 1 — кронштейн рамы; 2 — вилка гусеничной тележки; 3 •— гусеничная тележка; 4 — силовая установка; 5 —< пульт управления; 6 *—■ рулевой гидроцилиндр; 7 — основная рама; 8 — фреза-шнек; 9 — привод фрезы-шнека; 10 —• отвал фрезы-шнека; 11 — шнек; 12 — привод шнека; 13 — отвал шнека; 14 — приемный бункер; 15 — рама транспортера; 16 — блок выдвижного транспортера; 17 — генератор привода глубинных вибраторов; 18 — бан для воды; 19 — скользящие формы (боковая опалубка); 20 *—* рама рабочих органов Бетонораспределители принимают смесь из автосамосвалов или автобетоносмесителей и распределяют ее по дорожному основанию слоем заданной толщины. Распределители являются машинами непрерывного и периодического действия. Бетонораспределители непрерывного действия распределяют смесь, поступающую на основание строящейся дороги. Они имеют высокую производительность и требуют четкой организации работ по доставке смеси к месту ее укладки. Распределители периодического действия работают циклично. Новая порция бетона распределяется по основанию после распределения предыдущей порции и передвижения машины на новую позицию. По конструкции рабочих органов все распределители бывают бункерными, шнековыми, лопастными, ковшовыми. Бункерные распределители относятся к машинам периодического действия, остальные — к машинам непрерывного действия. Смесь, выгруженную распределителем на дорожное основание, равномерно распределяют в поперечном направлении шнеком, лопастью или ковшом и предварительно разравнивают отвалом. Окончательное профилирование покрытия осуществляется профилирующими заслонками, которые можно устанавливать на односкатный или двухскатный поперечный профиль покрытия. Рис, 7.2. Схема автоматического контроля положения базового шасси: / — стойка-стержень, 2 — поперечная штанга, 3 — датчик уровня с копиром; 4 — нивелирная рейка (репер); 5 — рама планировщика Бетоноотделочные машины осуществляют разравнивание, профилирование, уплотнение и окончательную отделку (выглаживание и затирку) поверхности покрытия. Машины данного типа следуют за бетонораспределителем. Бетоноотделочная машина имеет разравнивающий, уплотняющий и выглаживающий органы. Разравнивающий орган—это лопастный вал, шнек или вибробрус. Для уплотнения бетонной смеси применяют вибрационный или трамбующий брусья. Выравнивание и выглаживание поверхности бетонного слоя производится выглаживающей лентой или брусом, совершающим качательные движения в горизонтальной плоскости, а также выглаживающими плитами с вертикальными колебаниями. Бетоноотделочные машины имеют один рабочий орган — вибрационный или трамбующий брус, два рабочих органа — уплотняющий и выглаживающий брусья, три рабочих органа — разравнивающий, уплотняющий и выглаживающий брусья, четыре рабочих органа — вибрационный, трамбующий и разравнивающий брусья, а также выглаживающую ленту. Технологическая операция выполняется сразу несколькими рабочими органами: уплотнение — вибрационным и трамбующим брусьями, а отделка поверхности — разравнивающим брусом и выглаживающей лентой. Идет переход к универсальным рабочим органам, выполняющим несколько операций. Профилировщик основания, входящий в комплект, имеет унифицированное самоходное четырехгусеничное базовое шасси с автоматической следящей системой управления рабочими органами по заданному курсу и профилю (см. рис. 7.1, а). Основная рама представляет собой сварную конструкцию коробчатого сечения. Установленные соосно две фрезы предназначены для первоначального фрезерования, рыхления и распределения грунта основания по ширине обрабатываемой полосы. Шнеки удаляют излишки грунта на обочину дороги или ленту конвейера-перегружателя, а также распределяют материал по ширине основания. Каждая фреза и шнек имеют свой независимый и взаимозаменяемый привод. Распределитель комплекта (см. рис. 7.1, б) предназначен для приема бетонной смеси с обочины из самосвалов и распределения ее по ширине основания. Снизу к основной раме прикреплены фреза-шнек и отвал. Конструкция рабочих органов позволяет регулировать положение их краев и середины с помощью трех гидроцилиндров для получения одно- и двухскатного профилей покрытия. Машина оснащена выдвижным транспортером. Конструктивной особенностью комплекта является применение базового самоходного унифицированного четырехопорного гусеничного шасси и максимальная унификация узлов привода рабочих органов, гидро- и электрооборудования, аппаратуры автоматики (рис. 7.2) и силовых установок.
Рис. 7.4. Схема уплотняющего рабочего органа с поверхностным (а) н глубинным (б) вибратором: / —. дозирующая заслонка; 2 — вибробруо; 3 глубяиивй вибратор; 4 -*• профилирующая заслояка
Бетоноукладчик комплекта (см. рис. 7.1, в) служит для разравнивания, профилирования, уплотнения и отделки бетонной смеси. На основной раме машины закреплены шнек, отвал шнека, глубинные вибраторы, вибробрус-дозатор, первый и второй качающиеся отделочные брусья, плавающая выглаживающая плита и боковые скользящие формы (рис. 7.3). Шнек предназначен для распределения смеси и состоит из двух независимых частей, имеющих боковой гидравлический привод. Отвал шнека имеет плоскую форму и служит для создания подпора смеси в шнеке. Глубинные вибраторы обеспечивают равномерную плотность смеси по всей толщине слоя (рис. 7.4). Вибраторы с встроенными асинхронными электродвигателями закрепляют на У-образных пру- жинных рычагах к состоящей из двух частей трубе, которая поворачивается вокруг оси горизонтальным гидроцилиндром. Частота вибрации глубинных вибраторов 180 Гц. Вибробрус-дозатор вторично распределяет и выравнивает смесь после ее проработки глубинными вибраторами. Два качающихся бруса предназначены для придания покрытию требуемого профиля и отделки по поверхности. Брусья состоят из двух частей коробчатого сечения. Возвратно-поступательное движение брусьев в поперечном направлении относительно укладываемого покрытия осуществляется четырьмя гидромоторами. Окончательная отделка поверхности производится плавающей плитой, состоящей из двух частей. Боковые скользящие формы формируют боковые поверхности бетонного покрытия. Бетоноотделочная машина предназначена для окончательной отделки поверхности покрытия и придания ей требуемой текстуры бетона. Машина многопроходная и смонтирована на четырехколесном базовом шасси. Снизу к раме на вертикальной поворотной и подъемной цапфе подвешены две дюралевые трубы. Над ними установлены два трубопровода с запираемыми соплами для смачивания труб. Трубы перекрывают одна другую и передают на бетон только свой вес. Сзади к раме кронштейнами прикреплена тканевая драга, которая орошается водой и передвигается по поверхности цементобетонного слоя. Распределитель пленкообразующих материалов служит для нанесения материалов и создания на покрытии шероховатой поверхности. Машина выполнена однопроходной на самоходном четырехопорном колесном базовом шасси. К основной раме прикреплены две поперечные траверсы, по которым перемещается относительно покрытия щетка, создающая шероховатость поверхности покрытия. К передней части рамы подвешен барабан для пленки. Сзади к раме подвешены распределительная труба для распределения жидких пленкообразующих материалов и два выносных сопла для обработки боковых поверхностей покрытия. Расчет основных параметров рабочих органов машин для строительства цементобетонных покрытий. Профилировщик с фрезерным рабочим органом преодолевает силы сопротивления: Wi — перемещению машины; W2 — резанию грунта фрезой; W3 — перемещению призмы материала перед отвалом; W4 — от преодоления сил инерции машины. Силу сопротивления перемещению машины определяют так, как указано выше. Сила сопротивления резанию грунта фрезой (Н) ^ 2 k-psbzji, где k-p — удельное сопротивление фрезерованию грунта, йр = 0,7-н2,5 Н/м2; s — толщина срезаемой стружки, м; Ь — ширина лопасти, м; гл — число лопастей, одновременно участвующих в процессе фрезерования, гл = га/360 (г — число лопастей на роторе; а — угол контакта лопасти с материалом, °, а = = arctg (hiг); г — радиус ротора, м; h — толщина срезаемого слоя, м). Сила сопротивления перемещению призмы (Н) [М'р ’ где тпр — масса призмы материала перед отвалом, кг; g — ускорение свободного падения; цгр — коэффициент трения материала основания. Силу сопротивления при преодолении сил инерции во время трогания с места определяют так же, как было рассмотрено выше. Возможность передвижения профилировщика массой ттj, без пробуксовки следует проверить по выражению: ^ПфёГф0Ц>^2, где фСц — коэффициент сцепления гусениц с основанием; Wx= ± Wirp + + Ws + Wtrp — горизонтальная составляющая резания грунтов, W!Tp = = W2 vu/v0 (здесь vn — поступательная скорость машины, м/с; ч0 — окружная скорость ротора, м/с); U72rp имеет знак «плюс» при резании материала снизу вверх и знак «минус» при резании сверху вниз. Мощность двигателя (Вт), установленного на профилировщике, расходуется на резание (Л^) и отбрасывание (N2) материала фрезой и на преодоление сопротивления при перемещении машины в процессе работы (N3): ЛГ2 = Nt+ Ns. Мощность (Вт), расходуемая на резание материала основания лопастями фрезы: Ni = kpbshzn, где г — число лопастей на роторе; л — частота вращения фрезы, об/с. Мощность, расходуемая на отбрасывание грунта: N 2 = mv о^стб/2, где т — масса грунта, отбрасываемого фрезой за 1 с, кг, т = Ь h оп р (р — плотность материала основания, кг/м®); о0 — окружная скорость на концах резцов фрезы, м/с; 60тб — коэффициент отбрасывания, принимаем для узких лопастей *отб = 0.75, для широких &0тб = !• Мощность, расходуемая на перемещение профилировщика: N3 = Wxvm ах/Л, где t>max — максимальная рабочая скорость профилировщика, м/с; т] — КПД трансмиссии ходового механизма. Производительность профилировщика (мг/ч) П = 3600BkBva, где k-в — коэффициент использования рабочего времени; В — ширина обрабатываемой полосы за один проход профилировщика, м. Усилие (Н), необходимое для перемещения распределительного бункера: W* = Л + Рг + Р„ где Рг — сила сопротивления перерезыванию столба бетонной смеси, Н; Pt — сила сопротивления перемещению бункера по рельсам, Н; Р, — сила сопротивления сил инерции при трогании с места, Н. Сила сопротивления перерезыванию столба бетонной смеси (Н) Р\ ~ кр. см®1 где ftp. см — удельная сила сопротивления перерезыванию столба смеси, зависящая от консистенции, kp. см = 6н-9 кН/м. Сила сопротивления перемещению бункера по рельсам (Н) Л = g (Щ + тсм) f, где g — ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с*; mg — масса бункера, кг; тсм — масса смеси, находящейся в бункере, кг; { — приведенный коэффициент сопротивления перемещению бункера по рельсам, f = 0,05. Сила сопротивления сил инерции при трогании бункера с места (Н) Л> = ('Лб+'Лсм)-^-, где ve — скорость передвижения бункера при распределении смеси, м/с; /р — время разгона машины, /р = 0,5-^ 1,5 с. Мощность, необходимая на перемещение бункера (Вт); где т)б — КПД механизма привода перемещения бункера. Силы сопротивления при перемещении самого распределителя складываются из сил сопротивления передвижению всей машины с преодолением уклона и сил сопротивления сил инерции при трогании машины с места. Определяют их так, как указано выше. По суммарной силе сопротивления определяют мощность, необходимую для перемещения распределителя. Мощность двигателя распределителя выбирают щ условия одновременного выполнения рабочих операций по перемешиванию распределительного бункера и подъема загрузочного ковша. Производительность бункерных распределителей с непосредственной загрузкой бункера (м3/ч) П = 3600 К/^ + t, + t3), где V — полезный объем бункера, м3; tt — время загрузки бункера, с; t2 — время распределения бетонной смеси и возврат бункера под загрузку, с; t3 — время, затрачиваемое на переход распределителя на следующую рабочую позицию, с. Производительность распределителя с загрузочным ковшом (м3/ч) П = 3600 № +*.+ *,+ U), где <4 — время на перегрузку смеси из загрузочного ковша в распределительный бункер, с. Силы сопротивления (Н) при передвижении шнекового распределителя складываются из силы сопротивления передвижению машины и силы сопротивления перемещению призмы бетонной смеси перед- профилирующими заслонками Fx\ Wa=W1 + Flf где Fi = «гр^Цсм! М’см — коэффициент внутреннего трения бетонной смеси, И-см = 0,5-т-0,6. Мощность двигателя, необходимую для перемещения машины, определяют так, как описано выше. Мощность (Вт), необходимая для обеспечения работы распределительных шнеков: Nm = аПВ ug/r\m, где а — коэффициент, учитывающий долю смеси, перемещаемую непосредственно шнеком, а < 1; П — производительность шнека, кг/с; В — ширина полосы распределителя, м; ш — коэффициент, характеризующий сопротивление движению материалов, для бетонной смеси или липких абразивных материалов ш = 4, для гравия, песка, цемента со = 3,2, для асфальтобетона со = 5; Т|ш — КПД Трансмиссии привода лопастного распределителя. Сила сопротивления поперечному перемещению бетонной смеси перед распределительной лопастью (Н) ^2 ~ §Р VМхм> где V — объем смеси перед лопастью или ковшом, м3; р — плотность смеси, кг/м*. Сила сопротивления передвижению каретки с рабочим органом (Н) F, = (G + F,) (-^ + /4) Р’ где G — сила тяжести каретки с рабочим органом, Н; k — коэффициент трения качения катков каретки по направляющим, k = (6-^8) 10~4 м; D — диаметр ходовых колес каретки, м; f — приведенный коэффициент трения подшипников катков, / = 0,05; d — диаметр цапф ходовых катков каретки, м; Р — коэффициент, учитывающий внецентренное по отношению к опорным каткам приложение внешних сил G и Fit а также перекосы, загрязнения и защемление в направляющих Р =■ 1,8-ь2,5. Сила сопротивления передвижению распределителя определяют по формулам, рассмотренным выше. Производительность распределителей непрерывного действия (м3/ч) П = hBv РАВ, где Л — толщина укладываемого слоя, м; В — ширина слоя, м; t>p — рабочая скорость, м/ч; kB — коэффициент использования рабочего времени машины. Бетоноотделочная машина преодолевает следующие силы сопротивления: передвижению машины, перемещению призмы бетонной смеси и трению рабочих органов по бетонной смеси, инерционное сопротивление. Сила сопротивления (Н) перемещению призмы бетонной смеси, образующейся перед рабочим органом (лопастным валом, уплотняющим и выглаживающим брусьями): ^4 = (Ур + Уу+Ув) gPHcM> где Vp, V7, VB — объемы призм волочения перед разравнивающим, уплотняющим и выглаживающим рабочими органами, м3; р — плотность^бетонной смеси, р ~ (i,8-г-2) Ю*' КГ/ЛГ, ЦсМ —    ipchncr^ "IpChriA бстописи смсск. Сила сопротивления (Н) трения рабочих органов при их перемещении по бетонной смеси Fb = (тр + my + тв) g[ip. 0, где тр, ту, т„ — массы рабочих органов машины, кг; р.р. „ — коэффициент трения рабочего ор'гана по бетонной смеси; цр. 0 = 0,5. Сила инерционного сопротивления (Н), возникающего при трогании машины с места: F„ = mvp/tp, где tip — рабочая скорость перемещения машины, м/с; tp — время разгона машины, tp — 1,5-т-2,0 с. Общее сопротивление = Wl + F, + Fb + F,. Тяговое усилие необходимо проверить на возможность его реализации по условиям сцепления. Мощность двигателя бетоноотделочной машины складывается из мощности, расходуемой на передвижение машины, привод рабочих органов и вспомогательных механизмов. Мощность Nlt расходуемая на передвижение машины, определяют, как указано выше. Мощность (Вт) на привод вибробруса определяют по эмпирической формуле Мпр.в = kF, где k — удельный расход энергии, Вт/ма, k — (1,0-М.З) 103; F — площадь вибробруса, м*. Мощность (Вт) привода трамбующего бруса расходуется на подъем бруса и преодоление сил сопротивлений трения в цапфах привода: Л^пр.б = (m6pga + nfPd) ~, где mgp — масса бруса, кг; а — амплитуда колебаний бруса, м; f — коэффициент трения опор вибровала, f = 0,005-j-0,01; Р — возмущающая сила возбудителя бруса, Н; d — диаметр цапф возбудителя, м; га — частота колебаний бруса, об/с; т)б — КПД привода бруса. Суммарная сила сопротивления поперечным колебаниям Fi = (Ft + mBg) Цр.о- Мощность (Вт), необходимая для работы бруса с поперечными колебаниями; N6.n = 4а/г7/1К0Л&4/г|б, где а — амплитуда поперечных колебаний, м, а — 0,4-^-0,7; лкол — число поперечных колебаний, 1/с; т)б — КПД привода бруса. Общая мощность (Вт) двигателя бетоноотделочной машины с учетом мощности привода вспомогательных механизмов системы управления ЛГ2 = J] N + NB + Nn, где 2 N — Ny + jVnp. в+ Л'пр. б+ N6. п; NB—мощность привода вспомогательных механизмов, NB = (3-ь5) 103 Вт; Nn — мощность привода гидросистемы управления, Nn = (5-f-7) 103 Вт. Производительность (м/ч) бетоноотделочной машины зависит от числа проходов, необходимых для отделки покрытия: jj __    3600/JfeB lo/vi + п1фг -j- nl0/vTp' где I — длина обрабатываемого участка, м; 10 — длина пути одного хода, м, /0 = / +    (/п — длина перекрытия участка, 1п = 1 м; /р — расстояние между первым и последним рабочими органами); — скорость машины при первом проходе, м/с; л — число повторных проходов; — скорость машины при последующих проходах, м/с; отр — транспортная скорость заднего хода, м/с. Минимальная ширина бруса Ьтп из условия равномерного уплотнения слоя по всей глубине должна быть больше или равна толщине слоя Л, т. е. bmn ^ h. Длина основания вибробруса определяется шириной укладываемой полосы. Поступательную скорость машины выбирают исходя из условия обеспечения минимально необходимого времени вибрирования: V Ь! ^mtn > где Ь — выбранная ширина вибробруса, м; tmn — минимально необходимое время вибрирования смеси, с. Для уплотнения пластичных бетонов время вибрирования должно быть не менее 15 с и для уплотнения жестких бетонных смесей 15—30 с. При вибрации от нескольких виброэлементов синхронность их работы обеспечивают применением жесткой кинематической связи между отдельными виброэлементами. 7.2. МАШИНЫ ДЛЯ ПОСТРОЙКИ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ Распределение, укладка и частичное или полное уплотнение асфальтобетонных смесей осуществляются асфальтоукладчиками. Укладчики разделяют по производительности, конструкции ходового устройства и рабочих органов (рис. 7.5). По производительности асфальтоукладчики бывают тяжелого и легкого типов. Тяжелые асфальтоукладчики производительностью 100— 400 т/ч и более имеют массу 10—30 т. Они предназначены для работ больших объемов при ширине полосы до 15 м. Вместимость приемного бункера тяжелых асфальтоукладчиков может достигать 10 м3. Они работают с автосамосвалами грузоподъемностью Рис. 7.5. Классификация машин для укладки асфальтобетонных смесей. Ширинах толщина укладки (по типоразмерам): / — 3000X100 мм; // — 5000X200 ми; /// — 8000X300 им; IV — 12 000X300 им я более 25 т. Легкие асфальтоукладчики производительностью 50— 100 т/ч и массой 2,5—8 т предназначены для выполнения работ небольших объемов. Для строительства дорог местного значения, городских улиц и площадей созданы автоматизированные гусеничные асфальтоукладчики с переменной шириной укладки. Асфальтоукладчики выполняют следующие операции: прием асфальтобетонной смеси в бункер из автосамосвалов на ходу без остановки машины, транспортирование смеси к уплотняющим органам, дозирование, распределение смеси по ширине укладываемого покрытия и предварительное или окончательное уплотнение смеси. Современные асфальтоукладчики имеют в качестве силовых установок дизельные двигатели. Ходовое устройство (рис. 7.6) включает в себя задний мост с одной парой ведущих пневматиче- ствами: а •— гусеничным; б — колесным; / — два скребковых транспортера с гидроприводом и независимым управлением; 2 — шиберные заслонки с гидравлическим независимым управлением; 3 — двигатель с шумопоглощающим капотом; 4 — пульт управления: 5 — коробка передач с дифференциалом и тормозом; 6 — устройство для централизованного смазывания подшипников; 7 — гидроцнлиндры подъема и опускания бруса; в — тяговый брус; 9 — основной вибротрамбующий брус с резонансными вибраторами и электронагревом выглаживающей плиты; 10 — телескопический гидроцилиндр выдвижения бруса; /( — выдвижной брус; 12 — два шнековых распределителя с независимым гидроприводом; 13 — гусеничное ходовое устройство с резиновыми грун-тоэацепами и долговечной смазкой; 14 — передние управляемые колеса с плавающей осью; 15 — управляемые стеики бункера; 16 — ведущие колеса с пневматическими шинами, заполняемыми водой ских колес и передний мост на управляемых колесах. Колеса имеют постоянный контакт с грунтом благодаря качающейся оси впереди и равномерному распределению нагрузки на ось. Хорошему сцеплению с основанием способствует заполнение ведущих колео водой. При плохом состоянии основания и малом сцеплении включается блокировка дифференциала. Траки укладчиков с гусеничным ходовым устройством покрыты резиновыми плитами, обеспечивающими хорошее сцепление с грунтом. Машина может передвигаться по свежеуложенному дорожному покрытию. Гидравлическая система служит для привода вибраторов уплотняющих рабочих органов, управления гидромуфтами и включения гидроцилиндров подъема боковых стенок бункера и рабочих органов, а также для управления гидроцилиндрами автоматики. Рабочие органы состоят из обогреваемой виброплиты и трамбующего бруса с отражательным щитом. Они имеют плавающую подвеску и с помощью тяговых брусьев шарнирно прикреплены к раме асфальтоукладчика. Контроль за количеством смеси в шнековой камере производится двумя датчиками, установленными у концов распределительных шнеков. По сигналам датчиков с помощью гидроцилиндров, работающих в автоматическом режиме, осуществляется подъем—опускание шиберных заслонок, соответственно увеличивающих или уменьшающих подачу питателей. Такое регулирование позволяет исключить переполнение шнековой камеры смесью и уменьшить налипание материала на элементы конструкции. Автоматическая следящая система «Стабилослой» для обеспечения ровности покрытия работает по сигналам датчиков продольного и поперечного профиля. Асфальтоукладчиками управляет оператор с одного из двух постов, расположенных с левой и правой стороны машины. Они имеют дублированное ручное управление с гидромеханическими передачами и поворотный пульт с кнопками включения исполнительных органов асфальтоукладчиков. Укладчики имеют высокую эксплуатационную готовность благодаря быстрому и простому уходу. Они имеют встроенное оборудование для централизованного автоматического смазывания всех подшипников, входящих в контакт с горячим материалом. Гусеничное ходовое устройство имеет элементы соединения с бессменным смазочным материалом. Уровень масла в коробке передач контролируется с рабочего места оператора. Все быстро изнашивающиеся детали — выглаживающие листы, листы конвейера и лопасти закреплены винтами, что обеспечивает их быструю замену. В конструкциях укладчиков применено большое количество унифицированных, стандартизированных узлов и деталей. Асфальтобетонная масса, доставляемая автосамосвалами, выгружается в приемный бункер укладчика, затем питателями подается к шнеку, распределяющему массу равномерно по всей ширине. После этого смесь частично или полностью уплот- Рис. 7.7. Уплотняюад-smvra-живающий рабочий орган вы- LuKOi O у илиТпсп*-! Л иСфиЛЬТС
укладчика: 1    — распределительный шнек; 2    — трамбующий брус предварительного уплотнения; 3 — основ* ной трамбующий брус; 4 — виброплита с синфазными вибраторами; 5    — привод трамбующих брусьев; 6    — гидроцилнндр подъема и опускания бруса няется трамбующим брусом и выравнивается выглаживающей плитой. При необходимости окончательное уплотнение осуществляется моторными катками. В качестве рабочего органа на самоходных асфальтоукладчиках применяют системы брус — плита двух типов для предварительного и высокого уплотнения (рис. 7.7). В первом случае система состоит из трамбующего бруса и выглаживающей плиты, во втором включает в себя несколько уплотняющих элементов различного типа. По характеру колебаний различают системы с качающимся брусом, который колеблется в горизонтальной плоскости в направлении, перпендикулярном направлению движения асфальтоукладчика, и с трамбующим брусом, который колеблется в вертикальной плоскости. Последний получил наибольшее распространение. Эксцентриковый вал трамбующего бруса имеет гидропривод, обеспечивающий бесступенчатое регулирование частоты колебаний. Это позволяет подобрать наилучший режим при изменении условий работы (вида укладываемого материала, толщины слоя или скорости движения асфальтоукладчика). Асфальтоукладчики могут иметь распределительную и уплотняющую системы переменной ширины. Механизм изменения ширины гидравлический. Машина для устройства асфальтобетонного покрытия, входящая в состав автоматизированного комплекта для скоростного строительства дорог, предназначена для приема из автосамосвалов асфальтобетонных смесей, распределения по ширине и уплотнения с одновременной отделкой поверхности покрытия. Рабочее оборудование выполнено в виде навесного оборудования к профилировщику на типовом четырехопорном гусеничном шасси. Многоцелевые укладчики с оборудованием высокого уплотнения строительных смесей обеспечивают качественную укладку и высокое уплотнение уложенных как цементо-, так и асфальтобетонных смесей без существенной перестройки рабочих органов. Машины имеют объемный гидропривод. Это позволяет применять машины в различных вариантах с обычным стандартным брусом, обеспечивающим только предварительное уплотнение, с гидравлически регулируемым выдвижным брусом и с брусом, обеспечивающим высокое уплотнение (рис. 7.8, а—г). Такой брус обеспечи- Рис. 7.8. Схема изменения ширины укладки при помощи гидравлической системы выдвижения брусьев: 1 — основные распределительные шнеки; 2 — основной внбротрамбующнй брус; 3 — телескопические гидравлические цилиндры выдвижения секций; 4 — выдвижные вибротрамбующие секции; 5 ■— съемные участки шнеков; 6 — ввбротрамбующие съемные части вает хорошую укладку и уплотнение как толстых, так и тонких слоев с цементным и с битумным вяжущим материалом. Он эффективно уплотняет жесткий, трудно перерабатываемый материал. Благодаря сокращению времени на уплотнение такой брус позволяет уплотнять тонкие асфальтобетонные слои в холодное время года. Для укладки цементобетонных смесей на асфальтоукладчике устанавливается скользящая опалубка. Кроме того, обязательна установка систем автоматического выдерживания заданных профилей покрытия. Дозирующие шиберные заслонки пластинчатого питателя имеют независимое и бесступенчатое регулирование по высоте посредством гидроцилиндров. Система выдвижения бруса состоит из двухступенчатой выдвижной телескопической трубы с устройством для фиксации от поворота. Нагрев уплотняющих элементов трамбующего и вибрационного брусов в ряде случаев осуществляется электрическими нагревателями. Преимущество электронагрева заключается в равномерном распределении теплоты и исключении перегрева отдельных участков. Брус высокого уплотнения является перспективным оборудованием. Он состоит из двух агрегатов для предварительного и дополнительного уплотнения. Агрегат предварительного уплотнения состоит из трамбовки и виброплиты. Планка трамбовки движется вниз и вверх посредством эксцентрикового привода. Длина хода трамбовки не зависит от степени плотности укладываемого материала; она постоянна и составляет 4 или 8 мм. В нижнем положении трамбовки нижние кромки планки трамбовки \ и плоскость основания последующей вибрационного бруса находятся на одинаковом уровне. Частота ударов трамбовки регулируется бесступенчато до 1800 ударов в минуту. Вибрацию возбуждает импульсный гидравлический привод, воздействующий на упруго подвешенную массу внутри бруса. Под действием синфазных вибровозбудителей вертикального действия брус колеблется с частотой 68 Гц. Амплитуда колебаний массы возбуждения регулируется бесступенчато от 0 до 5 мм. Ширина выглаживающей плиты 300 мм. Агрегаты дополнительного уплотнения следуют за агрегатом предварительного уплотнения и представляют собой расположенные друг за другом прессующие планки, обеспечивающие максимальное уплотнение, и второй вибрационный брус. Прессующие планки прижимаются поршнями цилиндров к покрытию. Они постоянно остаются в контакте с покрытием. Давление прессования планок не зависит от длины хода, как в трамбовках с эксцентриковым приводом, а определяется их опорными поверхностями и действующей силой. Нажимающие вниз поршни цилиндров передают силу в виде импульсов давления на прессующую планку. Импульсы давления генерируются посредством поворотного золотника. Частоту импульсов можно изменять от 35 до 70 Гц посредством изменения частоты вращения вала гидромотора, который связан с поворотным золотником. Сила их прижатия, воздействующая на две прессующие планки, больше собственного веса бруса. Первая прессующая планка имеет малую опорную поверхность и тем самым высокое давление на покрытие. Следующая за ней вторая прессующая планка имеет большую опорную поверхность, она стабилизирует достигнутый результат уплотнения. Давление регулируется независимо для обеих планок от 5 до 15 МПа. При одинаковом давлении первая планка обеспечивает более высокое усилие прессования ввиду меньшей опорной поверхности. Две прессующие планки нагреваются электрическими стержнями так же, как и планки трамбовки. Для выглаживания поверхности' покрытия вслед за прессующими планками установлен второй вибрационный брус. Он отличается от первого более узкой выглаживающей поверхностью и имеет меньший вес. Уплотняющая сила бруса повышается синфазными вибровозбудителями вертикального действия. Второй брус свободно движется по высоте, он плавает на уплотненном покрытии. Согласованная работа каждого из элементов обеспечивает оптимальное уплотнение всех укладываемых слоев. Изменение толщины укладываемого слоя осуществляется изменением угла наклона к горизонту трамбовки и первого бруса с помощью гидроцилиндров. Ширина выглаживающей плиты бруса — 200 мм, нагрев плиты электрический через внутренние нагревательные стержни. Асфальтоукладчики с многоцелевыми брусьями высокого уплотнения обеспечивают существенную экономию трудовых, энергетических и материальных ресурсов. Из технологического процесса в ряде случаев могут быть исключены уплотняющие катки. При уплотнении с помощью бруса высокого уплотнения исключено боковое вытеснение материала, имеющееся обычно при укатке катками. Это экономит 4—6 % материала. Многоцелевой брус обладает высокой чувствительностью к нарушению рецептуры уплотняемого материала. Это приводит к необходимости предъявлять высокие требования к точности дозирования и качеству смеси. Необходимо также обеспечить брус надежным механизмом для регулирования и настройки режимов работы каждого из уплотняющих элементов в зависимости от изменения свойств уплотняемого материала. Целесообразно обеспечить такую перестройку автоматически в процессе работы без остановки машины. Расчет основных параметров рабочих органов машины для строительства асфальтобетонных покрытий. Исходными параметрами для расчета являются: ширина и толщина укладываемого слоя покрытия, необходимый темп производства работ, параметры, характеризующие свойства укладываемого материала. Расчет предусматривает: определение технической производительности и параметров отдельных рабочих органов, выполнение тягового расчета в рабочем и транспортных режимах, определение кинематических параметров гидросистемы и мощности. Затем выполняют расчет на прочность и надежность. Производительность (т/ч) пластинчатого питателя П = Fvpo^ky, где F — площадь сечения материала, ограниченная высотой подъема заслонки, м*; v — скорость движения скребковой цепи питателя, v = 0,5-нО,6 м/с; р0 — насыпная плотность укладываемой смеси, р„ = 1,8 т/м3; — скоростной коэффициент производительности, kx = 0,8; ky — коэффициент уплотнения смеси, ky = 1,05. Площадь (м2) сечения материала определяют исходя из заданной производительности F = [J/(v Po^fey). При заданной ширине питателя определяют высоту поднятия заслонки (м) К = F/Bu, где Вп — ширина питателя. Производительность (т/ч) распределяющего шнека Яш = 3600Dmtmnp0knka, -где £>ш — диаметр шнека, Dm = 0,2-ъ0,4 м; /ш — шаг шнека, <ш Dm; п — •частота вращения шнека, п = 70-МЮ об/с; k„ — коэффициент снижения производительности вследствие проскальзывания и прессования материала, ка = = 0,9; ka — коэффициент заполнения сечения, k3 — 0,7. Производительность (т/ч) укладчика непрерывного действия Пу = BchcvypKkB, - где В0 — ширина слоя, м; hc — толщина укладываемого слоя, м; vy — рабочая скорость укладчика, м/ч; рк — насыпная плотность уплотненного материала, т/м*; kB — коэффициент использования рабочего времени, kB = 0,8. Возможную ширину укладки (м) определяют, задаваясь рабочей скоростью и толщиной укладки: В0 = П у/(hcVypKkB). Тяговый расчет выполняют для установления развиваемого приводом асфальтоукладчика тягового усилия, необходимого и достаточного для преодоления сил сопротивлений, возникающих при работе машины: Г>£ГС, где 23 Гс = W4 + W% + WB + Wt. Суммарная сила сопротивления передвижению складывается из сил сопротивлений: передвижению самого асфальтоукладчика Wi, трению рабочих органов по укладываемой смеси ЦР2; перемещению перед рабочими органами асфальтоукладчика призмы смеси W3 и перемещению от толкания самосвала W4. Сила сопротивления передвижению асфальтоукладчика в рабочем режиме определена выше. Сила сопротивления трению рабочих органов по укладываемой смеси = Gp. о/p, где Gp. о — сила тяжести рабочих органов и механизмов, воспринимаемая покрытием через выглаживающую плиту, Н; /р — коэффициент трения скольжения рабочих органов по укладываемой смеси. Сила сопротивления перемещению призмы смеси перед рабочими органами укладчика ^3 = ^црМ'пр, где 0пр -— вес призмы смеси, Н; цпр — коэффициент внутреннего трения укладываемой смеси, цпр = 0,8. Вес призмы (кН) Glip = "дГ BQHnpPog, где Япр — высота призмы, м. * Сила сопротивления передвижению при толкании самосвала №4 = (Ga+Ga6)(/K±0, где Ga — вес заправленного самосвала, Н; Gag — вес смеси в кузове в момент начала выгрузки, Н; /к — коэффициент сопротивления перекатыванию колес самосвала, /к = 0,02-i-0,03. Так как коэффициент сопротивления перекатыванию колес с жесткими шинами по щебеночному основанию может быть выше и действительный вес самосвала может превысить конструктивный, принимают /к = 0,06. Принимают также, что максимальный угол продольного уклона дороги при работе на рабочих режимах равен 6°, при транспортных переездах 10°. Коэффициент сопротивления перекатыванию колес машины в этом случае /к = 0,03. Суммарное тяговое усилие по сцеплению £    -^сцФсц» где Р0ц — нагрузка, приходящаяся на ведущий мост в рабочем режиме на различных уклонах, Н; Фсц — коэффициент сцепления ведущих колес с основанием, для щебеночного или асфальтобетонного основания, фод = 0,3-М),5. Общая мощность складывается из мощности, необходимой на привод питателей Nlt шнека N2, трамбующих брусьев jV3, вибрационных плит iV4: J] Nt = rtiiVj -f- n2N2 + n3Ng -|- ntN4, где nlt гц, n3, n4 — число соответственно питателей, шнеков, трамбующих брусьев, вибрационных плит. Мощность привода питателей (кВт) Nt = Wvk д/1000, где IP — сила сопротивления перемещению смеси и цепей со скребками, Н; v — скорость движения цепи, м/с,|0 = 0,5-f-0,6 м/с; кд — коэффициент динамичности, принимают йд = 1,2-т-1,3. Сила сопротивления перемещению (кН) W = bhaL(op0g, где Ь — ширина питателей, м; ha — высота щели под заслонкой, м; L — длина питателя, м; <в — коэффициент сопротивления транспортированию, принимают со — 0,2-г-0,3. Мощность привода распределяющих шнеков (кВт) N2 = а17£(о^К3/1000, где а — коэффициент, учитывающий расход смеси, а = 0,6; Я — производительность шнеков, кг/с; L — максимальный путь перемещения смеси, м; о)! — коэффициент, характеризующий свойства смеси, сох == 5; в формулу введен коэффициент запаса Кв = 1,5, учитывающий возможный подпор смеси под действием питателя. Мощность привода трамбующего бруса расходуется на преодоление сил трения об асфальтобетонную смесь и выглаживающую плиту, а также на преодоление сил сопротивления среды при ее уплотнении подошвой трамбующего бруса. Сила трения (Н) трамбующего бруса об асфальтобетонную смесь при его возвратно-поступательном движении F трамб Wnpfu где Wnр — сила сопротивления перемещению призмы смеси перед брусом без учета влияния части смеси, увлекаемой отражательным щитом, Н; fi — коэффициент трения бруса по смеси, jx = 0,5-j-0,6. Сила сопротивления перемещению призмы смеси (Н)    i ^Пр ~ ^прИ-пр, где 0Пп — вес призмы смеси, Н; |хпр — коэффициент внутреннего трения укладываемой смеси, Цпр = 0,7ч-0,8. Вес смеси, находящейся перед брусом (кН): СПр — bhnpLappgg, где Лпр — высота призмы, м; Lnp — длина призмы, м. Сила трения о выглаживающую плиту (Н) Fan — (5цр + Wпр) /бр> где Snp — усилие поджатия пружины, Н; fop — коэффициент трения трамбующего бруса о плиту, /бр = 0,2-~-0,3. Суммарное сопротивление трению (Н) Fjp — Fтрамб Fпл* Работа суммарной силы трения за один оборот вала привода (Н.м) А = 4 eFTV, где е — эксцентриситет вала привода трамбующего бруса, е = 0,005-~0,007 м. Удельное сопротивление смеси при движении бруса вниз при малой его ширине принимают постоянным, что равно давлению под кромкой выглаживающей плиты р = 0,01 МПа. Суммарная сила воздействия бруса на смесь при его движении вниз (Н) Р = PiF бр, где /’бр — площадь контакта трамбующего бруса со смесью, м2, Fgр = bd (d — ширина кромки борта бруса, d = 0,015 м). Смесь частично уплотняется скосом плиты, поэтому ширину рабочей кромки принимают равной толщине ножа d = t. Работа уплотнения смеси (Н-м) за один оборот вала привода Луп = 4 еР. Суммарная работа (Н-м) А — Лтр -Ь Ауа. Мощность, расходуемая на работу трамбующего бруса (кВт): N3 = рЛ/iep/JOOO, где Р — коэффициент, учитывающий неравномерность нагрузки за счет инерции бруса, Р= 1,3-г-1,4; ngp— частота вращения вала привода бруса, Лбр = = 25-4-35 об/с. Мощность привода виброплиты и вибробруса (кВт) определяют по эмпирической формуле N4 = &уд Fв. п л > где йуД — эмпирический коэффициент, 6уд = 1,2-т-1,6 кВт/мг; Fв. пл — площадь контакта виброплиты с асфальтобетоном, FB-na= 1адЬпл (1ПП — длина плиты, м; Ьил — ширина плиты, м). Расчет динамических нагрузок, действующих в элементах привода рабочих органов и ходового устройства, и определение показателей надежности осуществляют методами, рассмотренными в гл. 4. 7.3. МАШИНЫ И КОМПЛЕКТЫ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫХ ПОКРЫТИЙ ОБЛЕГЧЕННОГО ТИПА При постройке покрытий из стабилизированных грунтовых, гравийных материалов, из «черного» щебня, а также при строительстве усовершенствованных покрытий (асфальтобетонных и бетонных) перемешивание материалов является одним из основных процессов. В соответствии с технологией производства работ машины для перемешивания на месте по назначению классифицируют на машины для приготовления смеси на дороге и машини для приготовления смеси в стационарных смесительных установках (рис. 7.9). Машины для приготовления смесей на дороге разделяют на многопроходные и однопроходные. Многопроходные машины выполняют необходимый комплекс технологических операций по приготовлению смесей за несколько проходов по одному следу. К машинам этой группы относят ножевые смесители и фрезы. Однопроходные грунтосмесительные машины выполняют одновременно все операции по приготовлению смесей за один проход. По типу рабочих органов смесительные машины делят на ножевые, фрезерные, барабанные и лопастные. Ножевые и фрезерные рабо- Рис. 7.9. Классификация машин для строительства покрытий облегченного типа 250 чие органы устанавливают на машинах, работающих по способу перемешивания на дороге. Лопастные и барабанные рабочие органы имеют машины, работающие в стационарных условиях. Ножевые смесители могут быть одноножевыми и многоножевыми. В качестве одноножевых смесителей используют отвалы автогрейдеров, К недостаткам одноножевых смесителей следует отнести невысокую производительность вследствие большого числа проходов при приготовлении смеси и низкое ее качество.

Рис. 7.10. Схема воздействия на среду при различных направлениях движения аубьев фрезы. а — вниз; б — вверх; I — дозатор вяжущего материала; 1 — вал ротора; 3 — лопасть; 4 — кожух
Дорожные фрезы состоят из базовой, машины, рабочего органа с трансмиссией и дозировочно-распределительной системы. Фрезы отличаются мощностью силового оборудования, шириной и глубиной обработки грунтового слоя, конструкцией фрезерного ротора, компоновкой рабочего оборудования на базовой машине. Ротор дорожной фрезы предназначен для размельчения грунта и перемешивания его с вяжущими материалами. Ротор расположен перпендикулярно продольной оси машины. По длине вала ротора установлены лопасти, смещенные одна относительно другой на определенный угол. В сечении ротора могут быть расположены две, три или четыре лопасти. На роторе образуются двух-, трех-или четырехзаходные винтовые линии. В зависимости от конструктивного исполнения лопастей возможно различное крепление ножей: жесткое, шарнирное и упругое. Роторы дорожных фрез обрабатывают грунт в направлении сверху вниз, осуществляя резание от дневной поверхности грунта, или снизу вверх от нижней части грунтового слоя к дневной поверхности. Схема резания грунта определяет место подачи вяжущего материала под кожух фрезы. Кожух ротора образует рабочую камеру, в которой происходит измельчение грунта и перемешивание его с вяжущими материалами, и формирует поверхность слоя грунтовой смеси. Он может быть выполнен плавающим или жестко закрепленным. Качество измельчения грунта ротором дорожной фрезы зависит в большей степени от постоянства размеров стружек, срезаемых лопастями при поступательном движении машины (рис. 7.10). Основными параметрами фрезы являются скорость резания, толщины срезаемой стружки грунта за один оборот ротора, поступательная скорость, мощность силовой установки и производительность фрезы. По частоте вращения ротор дорожной фрезы относится к рабочим органам, имеющим повышенные скорости резания в пределах 9—14 м/с. В дорожных фрезах отечественного производства диаметр ротора составляет 700—900 мм. Частота вращения ротора (об/с) ft = УрСЗ/nD, где оре» — скорость резания, м/с; D — диаметр ротора. Толщина срезаемой стружки должна находиться в пределах 2—5 мм. Меньшее значение толщины стружки относится к связным грунтам. На толщину срезаемой стружки влияет число лопастей в поперечном сечении ротора и рабочая поступательная скорость фрезы (м/с) оп = ЛХЛ2, где Aj — толщина стружки, м; п — частота вращения рабочего ротора, об/с; г — число лопастей в сечении ротора. Для равномерного распределения нагрузок на роторе необходимо расположить лопасти по ширине рабочего органа так, чтобы в каждый момент времени в контакте с грунтом находилось постоянное число режущих кромок. Такому требованию более или менее удовлетворяет винтовое расположение лопастей. Мощность расходуется на передвижение машины, фрезерование грунта и работу дозирующей системы. Мощность, расходуемая на резание грунта (Вт): Ni = Pobhh^n, где Р0 — удельное сопротивление грунта резанию, Па; b — ширина лопасти, м; А — глубина резания, м; Лх — толщина стружки, м; г — число лопастей на роторе; п — частота вращения, об/с. Удельное сопротивление грунтов резанию зависит от вида обрабатываемого грунта. При расчетах принимают значение этого сопротивления в зависимости от категории грунта: для грунта категории I 0,07—0,08 МПа; категории II 0,13—0,14 МПа и категории III 0,2—0,22 МПа. При фрезеровании предварительно разрыхленного грунта эти значения уменьшают на 15—20 %. Мощность (Вт), расходуемая на отбрасывание грунта, N2 = k0mvlKp/2 = k0BhvnvlKpp/2, где k0 — коэффициент отбрасывания, для узких лопастей к0 — 0,75, для широких лопастей k0 = 1,0; m — масса грунта, отбрасываемая за 1 с, кг; иокр — окружная скорость на концах лопастей, м/с; В — ширина захвата фрезы, м; р — плотность грунта, кг/м®. Мощность (Вт), затрачиваемая на перемещение фрезы: где G — сила тяжести машины, Н; / — коэффициент сопротивления перекатыванию. Мощность (Вт), расходуемая на преодоление сопротивления трению в трансмиссии вала отбора мощности ротора: Nt = М + Мг) (1 - ти), где T|i — КПД трансмиссии. /* /3235 г) Рис. 7.11. Компоновка рабочего оборудования однопроходных грунтосмесительных машин: 1 — гусеничный тягач: 2 — рыхлитель; 3 — фреза; 4 — распределительная труба для жидких вяжущих материалов и воды; 5 — двухвальный смеситель; 6 — двухроторный фрезерный смеситель; 7 — каток на пневматических шинах; в — вибробрус; 9 — смесительный ротор; 10 — силовая установка, дозаторы и расходные емкости для жидких и порошкообразных вяжущих материалов; 11 — гусеницы полуприцепа; 12 — расходная емкость; 13 — дозатор-распределитель цемента; 14 — пневмоколеса Общая мощность (Вт) двигателя где T)j — КПД трансмиссии тягача. Максимальный крутящий момент (Н-м) на валу фрезерного ротора где W„B — мощность двигателя дорожной фрезы, Вт; п — частота вращения ротора; об/с; т)а — КПД трансмиссии от двигателя до ротора; £д — коэффициент динамичности, £д = 1,54-2,0. Производительность фрезы на различных технологических операциях (измельчение грунта, перемешивание смеси) (м8/с) П = vnh (В — ba) kjn2, где п2 — число проходов фрезы по одному следу, п2 = 2-f-5; kB — коэффициент использования машины внутри смены по времени, kB = 0,8-ь0,85; Ьп — размер перекрытия полос, м, ftn—0,l-f-0,2 м. Машины для строительства дорог облегченного типа. Многократная обработка грунта удлиняет технологический цикл. Это приводит к снижению физико-механических показателей грунта, укрепленного вяжущими материалами. Основные операции процесса приготовления смеси из укрепленного грунта грунтосмесительные машины выполняют одновременно и за один проход. Однопроходные грунтосмесители (рис. 7.11) представляют собой многороторную передвижную машину или комплект из двух машин. Они одновременно осуществляют профилирование, измельчение грунта, ввод в него вяжущего материала, перемешивание смеси и распределение ее по ширине обрабатываемой полосы. Рис. 7.12. Грунтосмесительная машина, входящая в комплект машин для строительства усовершенствованных покрытий облегченного типа: I — двигатель; 2 — внвробрус; 3 — гидроцилиндр подъема и опускания рабочего органа, 4 — рабочий орган — распределительный шнек; 5 — система подачи воды Сооружение усовершенствованных дорог облегченного типа методом смешения на месте осуществляется комплектом машин в составе профилировщика оснований — распределителя вяжущего материала и машины для смешения грунта с вяжущим материалом и уплотнения смеси (рис. 7.12). Машины полностью унифицированы, состоят из общих модулей: ходового устройства, основной рамы, подвески рабочих органов, гидропривода и автоматизированной системы управления. Они различаются рабочими органами. Машины имеют двухгусеничное ходовое устройство, жестко соединенное с рамой. Они оснащены автоматическими следящими системами продольного и поперечного профиля и движения по курсу, что обеспечивается копирной струной. Мощность силовой установки 152 кВт. Профилировщик-распределитель предназначен для профилирования земляного полотна и насыпных уплотненных оснований, распределения, погрузки в транспортные средства или отсыпки в отвал дорожно-строительных материалов. Рабочий орган — ротор с режущими и перемещающими лопастями подает грунт на нижний транспортер, расположенный между гусеничными тележками. Далее материал подается на поворотный верхний транспортер. Рабочий орган и гусеничные тележки имеют независимый реверсивный гидропривод от насосов переменной подачи. Грунтосмесительная машина предназначена для перемешивания материалов основания с минеральными вяжущими материалами, распределения привозных сыпучих дорожно-строительных материалов и предварительного их уплотнения. Рабочие органы установлены с помощью параллелограммных тяг. В автоматиче-gkom режиме гидроцилиндры обеспечивают необходимый уровень и поперечный уклон рабочего органа й выдерживание курса машины, соответствующие положению копирной струны и заданному поперечному уклону. Машина имеет рабочие органы двух типов! смесительный и распределительный. Смесительный рабочий орган производит перемешивание материала основания с минеральными вяжущими материалами за один проход машины путем встречного перемещения смеси в каждой из шести секций, образуемых на трубе ротора дисками-перегородками. Толщина слоя определяется положением регулируемого по высоте отвала. Расчет мощности включает определение мощности, необходимой для привода рабочих органов машины. Для четырехроторного смесителя N = Л/рез -j- N ИЗМ ~Ь -Л^меш “Ь ^пер + Л^тр> где Nрев — мощность, затрачиваемая на резание грунта; NmM — мощность, затрачиваемая на измельчение грунта; Л?меш — мощность, затрачиваемая на перемешивание компонентов смеси; jVnep — мощность, затрачиваемая на перемещение грунтосмесителя; — мощность, затрачиваемая на преодоление трения в передачах. Мощности ЛГрез, Л^пер и NTp рассчитывают по методике, принятой при расчетах мощностей дорожных фрез. Принимают Л^изм = (0,2—0,3) Npes. Мощность (кВт), затрачиваемую на привод валов смесителя, определяют по методике расчета'мощности двухвальных лопастных смесителей: при массе замеса т < 1400 кг N меш = 0,0015gwn; при массе замеса т > 1400 кг N меш = О (13 + 0,0006gm), где g — ускорение свободного падения, м/с2; v — действительная окружная скорость на концах лопастей, м/с; т — масса замеса, кг. Полный максимальный крутящий момент (Н-м) д| _ Мрез^1 | Nивм^а i Nмеш&а «i’ll ~Г л2т)а "Т" зд, ’ где Л^рез, N изм» N меш — в Вт; hx, k%, k$ — коэффициенты динамичности соответственно на первом, втором и третьем рабочих органах, kx = = k3 = 1,2-н2; П], п2, п3 — частота вращения соответствующих валов рабочих органов, об/с; %> Лз> — КПД передач. ГЛАВА 8 МАШИНЫ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ДОРСЩНО СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ Для строительства дорог и покрытий аэродромов применяют главным образом свежеприготовленные бетонные смеси, грунтовые цементо- и битуминозные смеси и другие материалы. Для получения наиболее плотной упаковки частиц материала и увеличения сцепления между ними дорожно-строительные материалы уплотняют. Процесс уплотнения, выполняемого путем статического и динамического воздействий, существенно влияет на эксплуатационную прочность отдельных строительных элементов и сооружения в целом. При уплотнении сокращаются воздушные включения в свежеприготовленных бетонных смесях; из цементобетонных смесей удаляется избыточная вода, которую добавляют для приготовления бетонной смеси и хорошей ее обрабатываемости, но которая не используется для схватывания цемента. При уплотнении насыпных материалов и грунтов естественного залегания, а также щебня уменьшаются поры, а при уплотнении влажного материала также сокращается содержание воды. Уплотнение битуминозных смесей ведет к уменьшению воздушных включений, а также к увеличению сцепления между частицами, составляющими смесь. По принципу действия рабочих органов уплотняющих машин различают следующие основные методы уплотнения (рис. 8.1): укатка (рабочий орган — уплотняющий каток перемещается по уплотняемому материалу) (рис. 8.2, а); трамбование — ударное воздействие (уплотнение достигается периодическими ударами уплотняющего элемента по уплотняемому материалу) (рис. 8.2, в); вибрационные воздействия (материалу сообщают кратковременные, следующие один за другим импульсы) (рис. 8.2, б). Существуют также машины, основанные на комбинировании указанных принципов действия: вибрационные катки, виброударное оборудование, вибрационное трамбование и др. Статическим воздействием является укатка; к динамическим воздействиям относятся все остальные методы. Процесс уплотнения строительных материалов является важной технологической операцией строительства автомобильных дорог и взлетно-посадочных полос аэродромов. Высокая плотность материала достигается правильным выбором методов уплотнения, параметров применяемых машин и режимов уплотнения. Рио. 8.1. Классификация машин для уплотнения дорожно-строительныи материалов в грунтов Давления на поверхности контакта рабочих органов машин с уплотняемой средой не должны быть выше пределов прочности среды. Они должны постепенно повышаться от прохода к проходу или от удара к удару. При высоких давлениях на поверхности контакта рабочих органов с материалом возникает пластическое течение (выдавливание) материала из-под рабочих органов. При укатке это влечет за собой волнообразование. Наличие битума приводит к образованию между частицами минерального материала вязкопластических связей, что требует при уплотнении многократного приложения циклических нагрузок. Укладка и уплотнение горячих смесей производится при температуре 160 °С, теплых смесей — при более низких температурах. По мере уплотнения и остывания смеси ее вязкость повышается, поэтому важно успеть уплотнить смесь до требуемой плотности до ее охлаждения 9 П/р В. Н. Баловнева 257
Рис. 8.2. Методы уплотнения и рабочие органы уплотняющих машин: а — укатка; 6 вибрирование; в *—• трамбование; г —< вибротрамбование; 1 ведущий валец статического действия; 2 — прицепной валец статического действия; 3 — ведущий валец вибрирующего действия; 4 — прицепной валец вибрирующего действия; 5 — трамбующая плита; 6 — вибрирующая или вибротрамбующая плита: М — момент; q _ сила тяжести катка; h •— деформация материала; Р — тяговое усилие, тдб вращающаяся масса дебаланса; (0 — частота вращения; отт — масса трамбующей плиты; Н «-* высота падения плиты Качество уплотнения оценивается коэффициентом уплотнения ky = рп/рСт> гДе Рп> Рст — плотность смеси после прохода катка и при уплотнении стандартным способом. Кроме критерия k7 для оценки физико-механических свойств асфальтобетона в покрытии используют показатель водонасы-щения, условную пластичность и др. Бетонная смесь состоит из большого количества коллоидов — измельченных, некристаллизующихся частиц, выделяющихся в виде аморфной массы. В присутствии жидкой фазы (воды) эти частицы образуют студни-гели, в которых они связаны с водой и друг с другом (вода заполняет все промежутки между неподвижными частицами), или золи — системы, по внешнему виду аналогичные растворам, но отличающиеся от них малой устойчивостью. При встряхивании связи между отдельными частицами ослабевают, гели переходят в золи, происходит разжижение — тиксотропия бетонной смеси. В период такого разжижения уплот-няемость бетонной смеси существенным образом улучшается. После прекращения вибрирования золи снова переходят в гели. 8.1. МАШИНЫ СТАТИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ Катки являются наиболее распространенными и простыми машинами для уплотнения дорожно-строительных материалов. Катки классифицируют по давлению, способу перемещения, числу расположения и конструкции вальцов. Катки имеют один или чаще несколько уплотняющих вальцов. В процессе прокатывания вальцов по поверхности обрабатываемого материала, нанесенного слоями, происходит уплотнение под действием собственного веса катка, а при необходимости под действием дополнительных вибраций. В зависимости от формы вальца и связанной с этим спецификой воздействия на уплотняемый материал катки используют для уплотнения связного и несвязного грунта, а также битуминозной смеси и щебня. Вальцы выполняют обычно в виде гладких цилиндрических барабанов, кулачковыми, решетчатыми с плитками по поверхности обода, в виде набора на оси колес с пневматическими шинами дисков и сегментов, а также компакторными и специальной формы. Гладкие вальцы (рис. 8.3, а) представляют собой барабан цилиндрической формы. Их уплотняющее воздействие обеспечивается собственным весом катка, который можно увеличить дополнительным балластом (это относится также и к другим вальцам). Катки бывают; легкими — распределенная нагрузка менее 40 кН/м, масса 5 т, мощность двигателя до 20 кВт; средними — распределенная нагрузка 40—60 кН/м, масса 6—10 т, мощность двигателя 25—30 кВт; тяжелыми — распределенная нагрузка свыше 60 кН/м, масса более 10 т. Легкие катки применяют для предварительного уплотнения оснований и покрытий. Средние катки служат для промежуточного уплотнения оснований и покрытий, а также для окончательного уплотнения покрытий облегченного типа. Тяжелые катки используют для окончательного уплотнения гравийных и щебеночных оснований и асфальтобетонных покрытий. По числу и расположению вальцов катки могут быть: одновальцовые, с поддерживающими вальцами или колесами; двухвальцовые с одним или двумя ведущими вальцами; трехвальцовые двухосные; трехвальцовые двухосные с дополнительным вальцом малого диаметра; трехвальцовые трехосные с одним или тремя ведущими вальцами. Катки бывают самоходными и прицепными. Для получения необходимого уплотнения материала обычно требуется несколько проходов: число их зависит от типа катка, свойства укатываемого материала и толщины слоя. Одновальцовые катки относят к каткам легкого типа. Двигатель и трансмиссию иногда располагают внутри вальца, а рычаги управления выносят на рукоятку дышла, с помощью которого вручную выполняют повороты катка. Поддерживающие вальцы или колеса делают управляемыми. Двухвальцовые катки (тандем) имеют вальцы одинаковой ширины и бывают легкого, среднего и тяжелого типов (рис. 8.4, а). Один из вальцов является управляемым, может поворачиваться вокруг вертикальной оси. Валец состоит из двух одинаковых секций, сидящих на общей оси. Секции имеют возможность свободно вращаться вокруг оси, что облегчает поворот катка и предотвращает сдвиг уплотняемого материала. В связи с необходи-


гл
гл
a)
•)


Рис. 8.3. Схемы укатывающих рабочих органов: а «*- гладкобарабанный укатывающий элемент; б кулачковый укатывающий элемент; в —* укатывающий элемент с решетчатым колесом; а *-» укатывающий элемент на пневмо-колесах; д — укатывающий элемент с плитками, тарнирно присоединенными к ободу колеса; е —• дисковый укатывающий элемент; ою — сегментный укатывающий элемент; а *=* коыпакторный валец; и •=- валец о набором многоугольных дисков мостью поворота ширина вальца не может быть больше 1300 мм, иначе на поверхности покрытия появятся дефекты. Подвеска переднего управляемого вальца обеспечивает поперечный наклон его в вертикальной плоскости на угол до 30—35° при наездах одной стороной на препятствия. Двухвальцовые двухосные катки имеют вальцы одинаковой ширины. Оба вальца часто выполняют ведущими, что улучшает a — о гладкими вальцами и последовательным расположением (таядем); б — комбинированный с пневмоколесным и барабанным (сменным) вальцом и шарнирно-сочлененной рамой; в — кулачковый для уплотнения мусора с шарнирно-сочлененной рамой; 1 — ведущие вальцы; 2 управляемые вальцы; 3 — сменный уплотнительный валец; 4 — базовая машина; б *— защитные броневые листа; 6 — очистные скребки; 7 — задний кулачковый валец; 8 « передний кулачковый вадец; 9 — отвал качество укатки. Диаметры обоих вальцов таких катков одинаковые. Привод ведущего вальца (вальцов) осуществляется от гидродвигателя. Трехвальцовые двухосные катки выполняют среднего и тяжелого типов. Диаметр задних ведущих вальцов примерно в 1,3— 1,6 раза больше диаметра переднего и через них передается 2/3 веса катка. Распределенная нагрузка от задних вальцов в 2 раза больше нагрузки от переднего вальца. Уплотнение материала производится в основном задними вальцами. Задняя ось снабжена дифференциалом, что позволяет легко проходить по кривым малого радиуса без повреждения уплотняемого покрытия. Ширина переднего вальца такая, что при движении катка его след перекрывается задними вальцами на 100 мм с каждой стороны. Каток имеет высокую поперечную'устойчивость. Такое расположение вальцов способствует хорошей компоновке отдельных агрегатов, что облегчает доступ к ний Большой диаметр ведущих вальцов улучшает качество укатки и дает возможность легко преодолевать встречающиеся сопротивления. Однако для обеспечения необходимой и одинаковой плотности слоя по всей ширине дорожного основания или покрытия таким каткам требуется большее число проходов, чем каткам типа тандем. Трехвальцовые трехосные катки имеют вальцы одинаковой ширины и выполняются тяжелого, реже — среднего типа. Наиболее совершенным является каток со всеми ведущими вальцами. Один из ведомых вальцов (передний) свободно перемещается в вертикальной плоскости, что позволяет при транспортном положении копировать профиль дороги, не загружая раму. При необходимости валец может быть зафиксирован в определенном положении. Такая конструкция обеспечивает безволновую укатку покрытия и соответствующее рациональное перераспределение веса по вальцам. Ведущий валец расположен на оси, которая закреплена неподвижно в опорах рамы. Ведомые вальцы разделены на две одинаковые секции, вращающиеся независимо одна от другой на общей оси. В трансмиссии катка предусмотрен центральный реверсивный механизм, совмещенный с муфтой сцепления и обеспечивающий плавное переключение с переднего хода на задний, независимо от скорости движения. Поворот ведомых вальцов осуществляется от гидропривода. Катки имеют приспособление для очистки и смачивания вальцов; тент, предохраняющий водителя от солнечных лучей и атмосферных осадков. Механизмы управления (поворотом катка, реверсивным механизмом, переключением передач, тормозом, агрегатами двигателя) сосредоточены на рабочем месте водителя. Ряд катков имеют два раздельных сиденья. Все механизмы управления расположены у каждого сиденья, причем одноименные механизмы сблокированы. Кулачковые катки имеют кулачковые вальцы (рис. 8.3, б). Последние представляют собой гладкий цилиндрический барабан, на поверхности которого в несколько рядов укреплены выступы (кулачки). Напряжения на поверхности контакта кулачков с грунтом в несколько раз больше, чем напряжения на поверхности контакта с катком с гладкими вальцами. Поэтому кулачковые катки эффективны только при уплотнении связных грунтов, преимущественно комковатых. На несвязных грунтах вследствие высоких напряжений грунт интенсивно перемещается из-под кулачков в стороны и вверх. При работе кулачки врезаются в грунт на значительную глубину. Уплотняется грунт, который расположен ниже плоскости погружения кулачков, а верхняя часть грунта при этом разрыхляется. Это верхняя часть слоя может быть уплотнена лишь после отсыпки поверх нее нового слоя грунта. Ввиду интенсивного уплотнения нижней части слоя заглубление кулачков по мере увеличения числа проходов постепенно уменьшается. При кулачковых катках легкого и среднего типов толщина верхней неуплотненной части слоя сравнительно невелика и составляет 4—6 см. По давлению кулачковые катки разделяют на легкие (р = 0,4-5-2 МПа); средние (р =? 2ч-4 МПа); тяжелые (р = 4-5-10 МПа). При большем и меньшем давлении эффект уплотнения снижается. Для грунтов оптимальной влажности рекомендуют следующие значения давлений: для легких и средних суглинков (в том числе и пылеватых) 0,7—1,5 МПа, для средних и тяжелых суглинков 1,5—4 МПа; для тяжелых суглинков и глинистых грунтов (в том числе пылеватых) — 4—6 МПа. Кулачки бывают симметричной и асимметричной формы. Вальцы кулачкового типа в ряде случаев работают с вибрацией. Под действием собственного веса катка и вынуждающей силы вибровозбудителя кулачки проникают в грунт, а на опорных базовых поверхностях возникают высокие давления. В начале уплотнения валец погружается в грунт до поверхности обода. С повышением плотности увеличивается несущая способность грунта, и валец поднимается вверх. В отличие от гладких вальцов в этом случае уплотнение происходит снизу вверх. Движение кулачков сквозь верхние слои грунта оказывает дополнительное разрыхляющее действие. Это позволяет использовать кулачковые вальцы для уплотнения как слабосвязных, так и хорошо связных грунтов. Однако при этом верхний слой грунта остается неуплотненным. Его уплотняют при следующей засыпке и при окончательном уплотнении с помощью катков с гладкими вальцами или катков на пневматических шинах. Катки с решетчатыми вальцами (см. рис. 8.3, в) имеют опорную поверхность в виде решетки. Последняя состоит из переплетенных прутьев профильной стали или же из отдельных сегментов листовой стали. В процессе укатывания осуществляется также разминающее воздействие. Небольшая базовая поверхность решетки обеспечивает высокие контактные давления. Это вызывает размельчение верхних слоев материала. Решетка имеет квадратные отверстия со сторонами квадрата 15 или 20 см. Масса катка с балластом составляет 15—30 т. Каток может уплотнять грунт слоями толщиной до 40 см. Эти катки бывают самоходными. Решетчатые катки применяют при уплотнении разнообразных грунтов (песков, супеси, суглинков и глины), в том числе и грунтов с включениями валунов размером до 40—50 см. Широко применяют эти катки при уплотнении грунтов в зимних условиях с включениями мерзлых комьев размером до 60 см. Производительность решетчатого катка на 20—30 % выше, чем у катков на пневматических шинах такой же массы. Катки на пневматических шинах (рис. 8.3, г) оснащают пневматическими колесами с гладкой или профилированной рабочей поверхностью. Кроме статического эффекта уплотнения, являющегося результатом воздействия собственного веса катка вследствие упругой деформации пневматических шин, возникает сдвиговой эффект уплотнения, который способствует удалению жидкости и воздуха из уплотняемого материала. Для изменения контактного давления пневматических шин на уплотняемый материал в зависимости от этого материала изменяют размер контактной поверхности шины путем варьирования давления воздуха в шине. Катки на пневматических шинах эффективно уплотняют несвязные, слабосвязные, а также связные грунты с оптимальным содержанием воды. Пневмокатки с гладкой рабочей поверхностью используют для уплотнения асфальтобетонных и битуминозных смесей. Прицепные катки на пневматических шинах предназначены для уплотнения грунтов аэродромов. Их масса достигает 100, 120 т, а в отдельных случаях и 200 т. Наибольшее распространение получили катки массой 20—25 и 40—50 т. Оптимальная толщина уплотняемых слоев для т;аких катков больше, чем при уплотнении гладкими и кулачковыми катками. Кроме того, для доведения грунтов до одной и той же плотности требуется меньшее число проходов, что повышает производительность катков. Наибольшее распространение получили катки с независимой подвеской отдельных колес, что обеспечивает равномерное уплотнение грунта, а при неровной поверхности предохраняет шины от перегрузки. Ось каждого колеса жестко связана с балластным контейнером, передняя часть которого шарнирно подвешена к траверсе рамы машины. Каток состоит из следующих основных узлов: рамы, силовой установки, трансмиссии, задних ведущих мостов, управляемого моста, рулевого управления, системы регулирования давления воздуха в шинах, тормозов, гиросистемы, смачивающего устройства, электрооборудования, а также бункера для балласта. Управляемый передний мост имеет три колеса, расположенных в шахматном порядке по отношению к ведущим колесам. Рулевое управление — механическое с гидроусилителем. Одно рулевое колесо находится в кабине, второе — на открытой площадке справа от кабины. Система регулирования давления позволяет из кабины водителя изменять давление воздуха в шинах во время работы катка. Снижение давления в шинах приводит к уменьшению давления шин на грунт и улучшает проходимость катка по рыхлому грунту. Катки с плитами оборудованы вальцами, представляющими собой цилиндрический барабан небольшой ширины, на поверхности которого расположены плитки по всей его ширине. Эти вальцы через плитки оказывают статическое воздействие на материалы с усилием, направленным вертикально к поверхности укладываемого материала, горизонтальных смещений укладываемого материала не происходит. Катки с плитками, шарнирно присоединенными к ободу колеса, предназначены для уплотнения слабосвязных и сыпучих грунтов. Катки с дисковыми вальцами (см. рис. 8.3, е) оборудованы вальцами, состоящими из дисков различного диаметра, установленных на одной оси. К началу уплотнения валец погружается в уплотняемый материал так, что все диски находятся в контакте с материалом. С увеличением степени уплотнения валец поднимается вверх и с материалом контактируют только диски с боль-гамм диаметром. Это увеличивает контактное давление. Дисковые вальцы применяют для уплотнения несвязных и слабосвялиыл грунтов. Катки с сегментными вальцами (см. рис. 8.3, ж) оборудованы гладкими барабанами, на ободе которых имеются сегменты Укатывающий валец погружается в грунт по обод барабана. Затем он поднимается наверх, к поверхности прилегают только плиты, и контактное давление увеличивается. Сегментные вальцы применяют для уплотнения таких же материалов, что и дисковые вальцы. Катки компакторного типа имеют вальцы (см. рис. 8.3, з), представляющие собой цилиндрический барабан, на поверхности которого в несколько рядов приварены кулачки симметричной формы. По сравнению с кулачковыми вальцами, на которые похожи компакгорные по своей конструкции, последние имеют меньшую ширину и меньшее число рядов с кулачками. Уплотнение происходит под действием силы тяжести катка, а тлкже в результате сминающего воздействия кулачков. Кроме того, благодаря тому, что последние врезаются в укатываемый материал с большой скоростью, возникает динамическое воздействие на материал (ударные нагрузки), поэтому для таких катков вибровозбудители не требуются. Высокие рабочие скорости компакторных катков обусловливают их применение при уплотнении больших площадей грунта, а также для уплотнения мусорных свалок. Катки из многоугольных дисков (см. рис. 8.3, и) набирают из элементов, расположенных на одной оси один за другим или смещенных один относительно другого. Диски передают грунту сжимающие и сминающие усилия. Возникают дополнительные ударные нагрузки на материал, являющиеся результатом высоких рабочих скоростей (до 40 км/ч). Края многоугольных дисков быстро изнашиваются, но их легко заменять. Специальные вальцы применяют аналогично компакторным вальцам. Укатывающие элементы катков, за исключением комбинированных, имеют одну и ту же форму и часто одинаковые размеры, как, например, тандемные, трехосные и четырехвальцовые катки. Комбинированные катки имеют уплотняющие органы различной формы. В результате комбинации уплотняющих элементов (пневмошин с гладкобарабанными вальцами, кулачковыми или решетчатыми укатывающими элементами как со статическим, так и вибрирующим воздействием последних) во время укатывания одновременно появляются различные эффекты и достигается высокая степень уплотнения. Гладковальцовые катки с пневмовакуумным балластным устройством позволяют интенсифицировать уплотнение асфальтобетонного покрытия. Каток снабжен балластной камерой, которая подвешена к основной раме. Внутренняя полость камеры соединена с компрессором. Между камерой и дорожным покрытием существует зазор, перекрываемый специальным эластичным устройством. Пригрузка вальцов прямо пропорциональна разрежению воздуха в камере и площади ее поверхности. Поверхность асфальтобетонного слоя при проходе катка с включенной балластной камерой подвергается вакуумцрованию, что, как полагают, улучшает физико-механические свойства асфальтобетона. Расчет основных параметров катков статического действия. Существенными характеристиками процесса статической укатки являются контактное давление вальцов на уплотняемый материал, возникающее в материале напряжение, а также работа уплотнения. Были проведены широкие исследования процессов уплотнения материалов пневмоколесами гладких вальцов. Контактное давление рк (МПа) между статически действующим вальцом и укатываемым материалом рассчитывают на основании заданной нагрузки на валец катка GB и площади контактной поверхности 5К: Рк = GB/SK. Для гладких вальцов при расчете используют не контактное давление, а распределенную нагрузку q (Н/м), приходящуюся на единицу ширины вальца Вв: Распределенная нагрузка q не должна превышать предельного значения, зависящего от свойств укатываемого материала, скорости и характера движения вальцов. Нарушение этого положения приводит к возникновению значительных сдвиговых напряжений в материале, снижению его несущей способности. Предельные значения контактных давлений зависят от типа укатываемых вальцов. При движении катка, особенно при неустановившемся, возникают также горизонтальные силы. Они характеризуются распределенной горизонтальной нагрузкой qT. Значение qr для пластичных и жестких смесей не должно превышать qr = (0,25-^-С),5)^ [28]. Для определения глубины воздействия вальца (м) рекомендуют следующие отношения: для гладких вальцов Л0 = (0,1-ь0,12)(И7/Ц70)/^, где 0,1—коэффициент для связных грунтов; 0,12 — для несвязных грунтов? W — влажность, %', W0 — оптимальная влажность, %; Rb — радиус вальца, м; для пневмокатков где [рк] — предельное контактное давление, Па; рк—максимальное контактное давление, Па. Работа Ау (Дж) при уплотнении статической нагрузкой при увеличении контактного давления от 0 до рк зависит от характера деформации грунта. Расчет ведут для упрощенной линейной характеристики при остаточной деформации А: Лу = pKV/2, где V — объем деформируемого материала» и®, V = BBhLy (Ly — длина укатываемой полосы, м). Тяговый расчет катка проводят для установления соответствия развиваемого тягового усилия в рабочем и транспортном режимах возникающим сопротивлениям. При работе катка возникают следующие сопротивления движению. Сопротивление Wly (Н) перекатыванию при уплотнении зависит от типа катка и свойств уплотняемого материала. Для гладких вальцов без вибрации при уплотнении грунтов где zB — число вальцов; Щ — коэффициент, для ведущего вальца Щ = 2, для прицепного вальца k"t= 1 ~2; GB — сила тяжести, приходящаяся на ось катка с балластом, Н; hi — глубина погружения вальца, при проектировании принимают hi = 0,02-н0,05 м; RB — радиус вальца, м; при уплотнении асфальтобетонных и битуминозных смесей г.т-тгМ1 -■йг)*2'’1 +'•'>■ где h' — толщина уплотняемого слоя, м; Вв — ширина вальца, м; рв1, рВ2 — плотность смеси в начале и в конце уплотнения, кг/м3; ръ р% — давление в начале и в конце уплотнения, Па, 0,5 (рг + р2) = GJ(BBls) (h — проекция контактной линии на горизонтальную поверхность, м); при уплотнении катками с пневматическими шинами W1У = GBk у, где ky — коэффициент сопротивления, для насыпного, связного грунта ky = = 0,12-f-0,22, для битуминозной смеси ky = 0,1. Для вальцов других типов нет достаточно надежных отношений, позволяющих рассчитывать сопротивления при уплотнении. Сопротивление W2y от уклона рассчитывают независимо от формы вальцов по формуле, приведенной ранее. Кроме сопротивлений, возникающих при уплотнении и от уклона, возникают также сопротивления трению в опорах вальцов, сопротивление повороту на криволинейных участках и сопротивление сил инерции. После расчета мощности N проверяют окружное усилие на ведущих вальцах Р0кр- Оно должно удовлетворять соотношению 2 ^ ^ -^OKpi -^окр ~ ^СдИ’ОЦ» где (Зсц — сцепной вес катка, включая балласт, Н; цсц — коэффициент сцепления между ведущими вальцами и укатываемым материалом, гладких вальцов с грунтом цС1т = 0,6-i-0,8, катков на пневмошинах с влажным несвязным грунтом |Л0Ц = 0,4-=-0,б5, катков на пневмошинах с битуминозной смесью ц0Ц = = 0,3-7-0,4. Техническую производительность /7Х по уплотнению определяют как по площади поверхности, уплотняемой в единицу времени, так и по объему материала, уплотняемого в единицу времени: Ят = (Вв — ав) vjz (м2/ч); Ят = (Вв — ав) vKh'/z (м3/ч), где Вв — ширина укатываемой полосы, равная ширине вальца, м; ав — размер перекрытия предыдущего прохода, ав = 0,05ч-0,1 м; — рабочая скорость, для катка с гладкими вальцами vK = l,5-j-3 км/ч, для кулачковых катков vK = = 4-=-5 км/ч, для катков с пневматическими шинами vK = 3-ИО км/ч; г — число проходов; h’ — толщина уплотняемого слоя, м. 8.2. МАШИНЫ ДИНАМИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ Уплотнение методами динамического воздействия осуществляется посредством трамбующих, вибрационных и комбинированных машин. Трамбующие машины уплотняют материал ударом падающего груза по его поверхности. Передача энергии уплотняемому материалу происходит от верхних слоев так же, как у катков с гладкими вальцами. Трамбующий орган представляет собой плиту квадратной, прямоугольной или круглой формы. По конструкции рабочего органа различают четыре основные группы трамбующих машин: трамбующие машины со свободным падением уплотняющего груза-плиты с некоторой высоты, взрывные трамбовки, автотрамбовки и пневматические трамбовки. В трамбующих машинах со свободным падением груза в исходную позицию плита поднимается с помощью канатного механизма, кулачковой или реечной передач. Взрывные трамбовки уплотняют материал падающим грузом, получающим энергию в результате сгорания продуктов горения. Автотрамбовки уплотняют материал за счет веса падающего груза. В исходное положение груз возвращается под действием кулачкового или кривошипно-шатунного механизмов. Пневматические трамбовки осуществляют уплотнение за счет энергии падающего груза и сжатого воздуха. Возвращение трамбующего элемента в исходное положение обеспечивается энергией сжатого воздуха. Частота ударов трамбующих плит зависит от конструкции трамбующего механизма. Для трамбовки с канатно-механическим приводом частота составляет 10 уд/мин, а у пневматических трамбовок — до 1000 уд/мин. Механизмы с частотой ударов свыше 1000 уд/мин называют вибрационными или виброударными трамбовками. По принципу действия к трамбовкам свободного падения относят катки, оборудованные вальцами с падающими грузами, у которых во время движения катка падающие элементы поднимаются вверх, затем после достижения определенной высоты под действием собственной силы тяжести скользят вниз по направляющим и ударяют по грунту. Трамбовки используют для уплотнения связных и несвязных грунтов большой толщины. Для уплот- Рис, 8.5. Основные схемы вибрационных уплотняющих устройств: а вибрирующий брус; 6 вибрирующая плита; в — внутренний вибровоэбудитель о двухопорной осью дебаланса; г — внутренний вибровоэбудитель с шарнирным дебалансом, обкатывающийся по внешнему опорному кольцу; а — внутренний вибровозбудитель о шарнирным дебалансом, обкатывающийся по центральной цапфе; / — брус; 2 — вибровоэбудитель с электрическим приводом; 3 *— плита основания; 4 — дебалано вибровозбудителя; б клиноременная передача; б ■— двигатель; 7 — направляющая штанга; 8 упругое крепление; 9 приводной вал; 10 — поверхность вибратора; 11 —• двухопорный вал дебаланса; 12 *-• шарнир; 13 ■ вращающееся кольцо подшипника; 14 дебаланс; 16 цапфа нения засыпки из горной породы служит оборудование к экскаваторам копрового типа, оснащенное трамбующей плитой. Кроме названных конструкций рабочих органов трамбующих машин, на асфальтоукладчиках используют оборудование в виде трамбующих брусьев. Их используют также в бетоноотделочных машинах в качестве органов уплотнения. Они обеспечивают уплотнение по всей ширине укладываемого полотна. Расчет сопротивлений и мощности при работе трамбующих брусьев рассмотрен выше. Вибрационные машины (рис. 8.5) уплотняют материал энергией импульсов, следующих один за другим с короткими промежутками. Они сообщают частицам материала ускорение. Возникающие силы инерции отдельных частиц не одинаковы ввиду различия массы частиц уплотняемого материала. После преодоления действующих между частицами сил трения и сцепления происходит относительное движение частиц, что и приводит к уплотнению. Эффект уплотнения вибрацией уменьшается с увеличением сил сцепления. Длительное вибрационное воздействие особенно на свежеприготовленную бетонную смесь ведет к ее расслоению и уменьшению прочности. Вибрационные самоходные катки с гладкими вальцами массой 6—8 т предназначены для уплотнения дорожных покрытий из асфальтобетонных, щебеночных и других материалов. Высокий эффект уплотненных дорожных покрытий достигается путем вибрационного воздействия ведущего вальца на уплотняемую среду. Вибрационный валец представляет собой пустотелый барабан, в торцы которого вмонтированы ступицы. В ступицах вальца на Рис. 8.6. Пневмогидравлическая схема изменения амплитуды колебаний вибровальца посредством регулирования жидкости в дебалансе вибровозбудителя вальца катка: 1 — задатчик величина амплитуды; 2 переключатель «Вибрация—Статик»; 3 ~ трехпозиционный электропневматический золотник; 4 — воздушный бачок; 5 — бак с рабочей жидкостью; 6 — гидропривод дебаланса вальца; 7 — балансная труба; 8 ■— деба-лансная труба; 9 лампа контроля процесса перемещения жидкости между трубами дебаланоа роликоподшипниках установлены валы с грузами. Секции вибровозбудителя соединены между собой промежуточным валом с соблюдением синхронности расположения грузов. Виброкатки оборудуют устройством для регулирования из кабины амплитуды колебаний вибровальца. При этом не требуется остановки для изменения массы и эксцентриситета вибровозбудителя. Обеспечивается ступенчатое регулирование амплитуды колебания. Кроме этого, в зависимости от уплотняемого материала регулируется частота колебаний рабочего органа (16—36 Гц) и рабочая скорость передвижения (0—5 км/ч). Действие одной из таких систем основано на применении дебаланса в виде двух труб, заполняемых рабочей жидкостью (рис. 8.6). Обе трубы имеют полости одинакового объема, но де-балансная труба массивнее балансной. Полости труб в их средней части сообщаются между собой, а с торца посредством трубопроводов соединены с баком, разделенным на две герметические секции. Секции бака через трехпозиционный золотник с электрическим управлением связаны о пневмосистемой катка. Управляя золотником с помощью задатчика амплитуды, можно изменять степень заполнения каждой из труб рабочей жидкостью, создавая тем самым требуемый дебаланс. Применение замкнутых схем гидропривода хода и вращения вибровозбудителя вальца катков позволяет обеспечить регулирование частоты от 25—50 Гц и изменения направления вращения гидромоторов путем изменения направления потока рабочей жидкости реверсированием насосов. Это исключает необходимость введения в схемы специальных распределительных устройству уменьшает объем рабочей жидкости в гидроприводе, а также массу и размеры гидропривода путем увеличения частоты вращения основных насосов. Насосные станции катков состоят из насосов привода хода (заднего моста и вальца) и привода вибровозбудителя вальца, насоса гидроруля и сдвоенного пластинчатого насоса подпитки гидросистемы. Гидросистема предусматривает автоматическое отключение вибровозбудителя в момент изменения направления движения катка. Валец приводится двумя гидромоторами через ступенчатый цилиндрический редуктор (одна ступень планетарная). Он снабжен встроенным вибровозбудителем с приводом от гидромотора. Резинометаллические амортизаторы сдвига изолируют раму вальца от вибрации. Рабочие органы в виде вибрирующих брусьев, вибрирующих плит и глубинных вибраторов широко используют в уплотняющих машинах для строительства дорог и аэродромов. Вибрирующие брусья являются узлами, встроенными в бетоноотделочные и асфальтоукладочные машины. Вибрирующие плиты и глубинные вибраторы являются самостоятельными машинами. Исключение составляют глубинные вибраторы, применяемые для уплотнения свежеприготовленной бетонной смеси на укладчиках со скользящей опалубкой. Для повышения производительности устанавливают до шести вибрационных плит в ряд на одной раме, которую монтируют на самоходном шасси. Для уплотнения цементобетонных смесей дорожных покрытий широко используют глубинные и поверхностные вибраторы. Поверхностный способ уплотнения представляет собой вибрационное, виброударное и статическое воздействие на поверхность уплотняемого слоя посредством рабочих органов машин различного типа: вибробруса, виброударных и статических плит. Рабочие органы такого типа не обеспечивают проработку нижних слоев и жестких бетонных смесей с осадкой стандартного конуса Яб> 0 С 2 см. Кроме того, они имеют ограниченную скорость движения. Вибрационные рабочие органы поверхностного действия имеют дебалансные электромеханические и гидравлические возбудители колебаний (вибровозбудители) общего назначения. Вибрационные брусы и плиты воздействуют на уплотняемый материал сверху. Если брус или плита постоянно соприкасаются с уплотняемым материалом, то имеет место контактная вибрация или вибрация с пригрузкой. Если же возникает отрыв бруса или плиты от уплотняемого материала, то имеет место виброударное воздействие. У вибробруса возбуждение колебаний осуществляют с помощью установленных на нем валов с эксцентрично вращающимися массами (см. рис. 8.5, а). Виброплиты (см. рис. 8.5, б) оснащены одним или двумя вибровозбудителями. Привод осуществляется от электродвигателя или гидромотора. Глубинный способ обеспечивает вибрационное воздействие на бетонную смесь внутри уплотняемого слоя посредством действия Рис. 8.7. Определение работы уплотнения и напряжения сжатия в контактной поверхности трамбовка — грунт при ударе т
/у wvz/wwrnw

глубинных вибраторов. На машинах для скоростного строительства покрытий устанавливают пакет глубинных вибраторов, расположенных один от другого на расстоянии 0,6—0,53 м. Мощ ность одного вибратора составляет 2—3 кВт, вынуждающая сила 7—8 кН при амплитуде 0,1—1,5 мм и частоте колебаний 180—200 Гц. Для уплотнения каменной крошки глубиной до 4 м используют тяжелые вибрационные плиты с рабочей массой до 8 т, включая балласт, которые подвешивают к стреле экскаватора или грузоподъемного крана. Глубинные вибраторы погружают в уплотняемый материал (в свежеприготовленную бетонную смесь) полностью или же частично при малой толщине уплотняемого слоя. Возбуждения колебаний у глубинного вибратора вызываются вращающимся дебалансом, установленным в обойме вибратора жестко или подвижно (см. рис. 8.5, в—д). Привод дебаланса осуществляется от электродвигателя, гидромотора или сжатым воздухом. Определение основных параметров машин динамического действия для уплотнения материалов. Важнейшими характеристиками процесса трамбования являются: трамбующий импульс; удельный трамбующий импульс; работа на уплотнение; кинетическая энергия системы трамбовка—среда при ударе; сжимающее напряжение на контактной поверхности трамбовки с грунтом, возникающее при ударе; длительность удара; КПД процесса трамбования и толщина прорабатываемого слоя материала. Трамбующий импульс (Н-с) Т где Р7 — сила удара; т — длительность удара; тт — масса трамбовки; в* — скорость удара трамбовки; а2 — скорость трамбовки после удара, v2 = 0. При свободном падении с высоты подъема (Н) Vi = V2gH (м/с); / = mT V2gH (Н • с). Отношение трамбующего импульса к площади ST рабочей поверхности называется удельным трамбующим импульсом /. Эта величина является базовой при определении эффекта уплотнения (Н - с/м2): .    _ wT V 2gH 1 ST    ST Рекомендуемое значение удельного трамбующего импульса i -< < (0,8 ->0,9) li 1, где [t] — предельное значение удельного импульса, при котором наступает разрушение грунта. Модель, приведенная на рис. 8.7, позволяет рассчитывать работу на уплотнение. При уплотнении грунтов и аналогичных материалов можно воспользоваться следующей формулой: где а0 — напряжение сжатия при ударе, Па; h — толщина слоя материала, м; Е — модуль упругости материала, Па; % — отношение напряжений в крайних верхних и нижних слоях материала, aj = о0/аяяти. Кинетическая энергия системы трамбовка—материал в момент удара (Дж) определяется на основании закономерностей теории удара: А = mrgH к 1-|-/Ихм/(3тт) ’ где т1М — масса слоя материала высотой h, находящегося под трамбовкой. Напряжение сжатия при ударе (Па) на поверхности контакта трамбовки с материалом при Лу = Ак &EmTgH    1 STh [1 + m1M/(3mT)] [1 + (1/ах) + (1 + a?)]' Длительность удара (с) при <т0 , 2mT V2gH уд    <J0ST КПД процесса трамбования »iT + mXM/3 ‘ Глубина воздействия трамбовки для связных грунтов К = 1ЛВ, тш (W/W0) (I - е-3,7</т), где ВТ шщ — наименьшая длина стороны опорной плиты трамбовки; W, IF0 — влажность и оптимальная влажность грунта. Длина стороны или диаметр (м) трамбующей плиты при толщине слоя засыпки h 5Т (0,8-г-1,0) h. Масса (кг) трамбующего органа тТ да (1 -г- 2) 5тАррр, ГД0 Ргр — плотность грунта, кг/м8. /77 Рис. 8.8. Реологическая модель виброэлемент — ■( ч I уплотняемая среда; т — колеблющаяся масса Л грунта Техническая производительность трамбующей машины
Ят = (ВТ — аТ) uT/z (м2/ч); Ят = (Вт — ат) v^h/z (м3/ч), где Вт — ширина утрамбованной полосы; /// /// //У /// /// /// /// /// h — толщина слоя засыпки; ат — размер перекрытия предыдущего прохода, ат = 100-М50 мм; vT — скорость движения трамбовки, определяемая как произведение числа ударов в единицу времени на длину передвижения плиты за это время, м/ч; г — число проходов. Параметры вибрационных машин определяют, рассматривая колебательный процесс системы. Существует некоторое время Т, для которого при любом t выполняется условие I (i + Т) — I (t). Поэтому Т называют периодом колебаний. Величину, обратную периоду колебаний, называют частотой колебаний: / = 1/Т. В вибрационной технике период колебаний измеряется в секундах; частота / имеет размерность герц (Гц). Угловая частота со связана с частотой /: ш = 2л:/ или со = 2п/Т. Скорость и ускорение при гармонических колебаниях изменяются во времени с той же частотой, что и перемещение I (£). Амплитуда скорости и ускорения равны соответственно со А и со М. Параметры вибрационного рабочего органа определяют при рассмотрении системы вибрирующий элемент — уплотняемый материал как реологической упруговязкой модели (рис. 8.8). Для использования этой модели необходимо знать жесткость материала см, постоянную затухания колебаний kM, а также вовлекаемую в колебание массу тм. Жесткость (Н/м) Ем^к
— да Ем УSK, 1,13 J/S„ где SK — площадь контактной поверхности виброуплотняющего элемента; £м — модуль упругости материала. Постоянная затухания колебаний &м == EMSK/Vt, где Vf — скорость распространения поперечных волн в грунте, м/с, Vf = VGm/Pm (GM — модуль сдвига материала, Па; рм — плотность материала, кг/м8). Масса материала (кг), вовлекаемого в колебание: тш = (Ср см)/со| тВ' а, где ср — жесткость рамы катка, Н/м; тв. э — масса вибрирующего элемента, кг; шв — собственная круговая частота системы материал — вибрирующий элемент1 ш| = см/(/пи + т8) [тв — масса вибрационной машины (виброкатка), кг]’ Уплотняющее воздействие виброкатка как в режиме вибраций с пригрузом, так и при отрыве вальцов от поверхности характеризуется мощностью вибраций iVB (Вт). Эта величина определяется нагрузкой GB на ось, максимальной вертикальной амплитудой колебаний ашах и частотой / возбуждения: Чем больше мощность, тем выше результаты уплотнения. Режим вибрации с отрывом вальцов отличается от режима вибрации с пригрузом фазой отрыва вибрирующего элемента. Эффективность процесса оценивают по импульсу удара и импульсу энергии. Определение необходимой для этого расчета скорости удара теоретическим путем усложняется вследствие колебаний по оси х и у, а также влияния скорости продвижения вперед и направления вращения дебалансов вибровозбудителя. Мощность привода вибровозбудителя вибрационного гладкого вальца (Вт) N-В ~ С^кол “Ь tf,. в) ^тЛЬ где А^кол — полезная мощность колебаний; NT-в — мощность на преодоление сил трения в опорах вибровозбудителя; kT — коэффициент учета доли мощности на преодоление сил трения в грунте, а также поглощение энергии материалом, &т = 1,4-т-1,5; Г| — суммарный КПД привода. Мощность (Вт), необходимая для уплотнения: Ny = 0,3 (Nкоп NT. в). При уплотнении вибровальцом доминирует вертикальная полезная мощность колебаний А^кол у по отношению к горизонтальной полезной мощности колебаний /VKWIS. Для приблизительного решения достаточно учитывать только влияние вертикальных колебаний. В этом случае -^кол ^ ^кол у “ 0,5/^вын Sin а, где Рвын — вынуждающая сила, Н, Рвын = Мдт]2 (ср + см)/(тв + тм)[Мд — момент дебаланса, кг-м; г) — отношение, т) == со/со2 (со — частота вынужденных колебаний, Гц; со2 — частота собственных колебаний, Гц); ср, ем — жесткость соответственно рамы катка и колеблющегося материала, Н/м; тв — масса вальца, кг; тм — масса уплотняемого грунта, кг]; а — вертикальная амплитуда вальца,м; а — угол фазы между амплитудой вынуждающей силы и вертикальной амплитудой вальца. Мощность (Вт), затрачиваемая на преодоление сил трения в опорах вибровозбудителя: Л^т. В =    вын^|^тр^вн> где цтр — коэффициент, характеризующий трение в подшипниках качения, Н'тр = 0,005-f-0,007; dBB — внутренний диаметр подшипника. При обработке поверхности вибрационной плитой уплотнение вызывается воздействием высокочастотных импульсов на уплотняемый материал. Расчет параметров вибрационной плиты, как и расчет виброкатка, выполняют при условии, что среда также заменяется упруговязкой реологической моделью (см. рис. 8.8). Виброплиты, как правило, работают в режиме отрыва плиты от уплотняемой поверхности. Поэтому для определения эффекта уплотнения необходимо учитывать ударную силу Рш (Н) и ударный импульс /уя (Н-с): РуД = тп_ цХ\ /уд = тт1цг , где тп. в — масса плиты и вибровозбудителя; х, х — вертикальная скорость и ускорение плиты при ударе по материалу. Удельный вес по отношению к поверхности опорной плиты для легких виброплит (собственная масса 50 кг) составляет 2— 3 кН/м2, для средних виброплит (собственная масса 100—800 кг) 5—15 кН/м2, для тяжелых виброплит (собственная масса 1—5 т) 16—25 кН/м2. Для уплотнения бетонной смеси амплитуда вынужденных колебаний вибробруса ав.бр должна быть не менее 0,3 мм. Расчетная амплитуда колебаний (м) __ав. бр Qp [ш/(2«3)] sin а * где п3—коэффициент затухания колебаний, п3 = 1/125 Гц. Необходимый кинетический момент (кг-м) 2 мк = gp, где mB. gp — масса вибробруса, кг. Число устанавливаемых вибровозбудителей где МК1 — кинетический момент одного вибровозбудителя, кг- м. Амплитуду вынужденных колебаний, необходимую для проработки бетонной смеси требуемой толщины h, определяют по эмпирической зависимости яв. бр == 0,We0‘lh/(a>tB), где tB — время вибрирования, tB г» 30 с. Амплитуда колебаний вибробруса изменяется в пределах 0,02 < ав. бР < 1,0 см. Мощность (кВт), затрачиваемая на привод вибровозбудителя: Nb. бр = MnPвын* Коэффициент nN определяется экспериментально как отношение необходимой для привода вибровозбудителей мощности NB к общей вынуждающей силе Рвын. Коэффициент nN принимает значение: для легких виброплит (Рвын < 5 кН) nN = 2,2-г-3 кВт/(10 кН), для средних виброплит (Рвыи < 65 кН) nN = = 1,8-ь2,6 кВт/(10 кН), для тяжелых виброплит (/’выв = 90-=-200 кН) tip] — 1,5-5-1,9 кВт/(10 кН). Производительность при уплотнении (м®/с) Яв — Buvak/z, где Вв — ширина виброплиты, м; ив — скорость передвижения, м/с, vB = = б-т-25 м/мин; h — толщина уплотняемого слоя, м; г — число проходов, 2=1. При работе асфальтоукладчика расчет параметров вибробруса выполняют для случая его работы в режиме отрыва от поверхности уплотнения. Чтобы получить хороший эффект уплотнения, вибробрус для уплотнения асфальтобетонных смесей должен быть выполнен в виде двухмассовой системы. В качестве модели для битуминозной смеси также служит упруговязкая реологическая модель. Жесткость асфальтобетонной смеси (Н/м) ^аб = ^аб^пл/Ау* где Еаб — модуль упругости асфальтобетонной смеси, Па; SnjI — контактная площадь плиты, ма; hy — средняя толщина уплотняемого слоя, м, hy = = 0,5 (^неупл *упл); Постоянная затухания колебаний ^аб = ^аб^пл fati где vi — скорость распространения поперечной волны в смеси. Массу уплотняемой смеси, вовлекаемую в колебание, рассчитывают так же, как и в расчете для уплотнения грунта: _ 1 ^аб--д~ ^1аб> где т1аб — масса находящейся под вибрационным брусом уплотняемой битуминозной смеси. Расчет ударной силы Р7Я и импульса удара /уд вибробруса массой тв. бр ведут аналогично расчету вибрационной плиты: Руд ^ mB. 6p^i ^уд тъ. бр^' Совершаемая по отношению к колеблющейся массе работа уплотнения (Вт. с/кг) Ау = ЛГВ. 5pL,/(vB- 6ptnB, бр)> где NB. бр — полезная мощность вибробруса, необходимая для уплотнения, Вт; L — длина уплотняемого слоя, м; ав. бр — скорость укладки, м/с. Из этого выражения следует, что в сравниваемых условиях большая толщина слоя требует меньшей по отношению к массе затраты, чем тонкий слой. Удельную работу уплотнения (Дж/м2) как отношение работы к поверхности, уплотняемой вибробрусом, определяют по формуле л    1 Юв.бр я .2 2 Яв.брОв.бр ’ где Вв. др — ширина вибробруса, м; я — число проходов в единицу времени, 1/с. При движении вибробруеа в процессе уплотнения перед ним образуется небольшой валик из уплотняемой смеси с собственным весом Gnp. Сопротивление передвижению этого материала РUj> ~ Gnpl^npi где рщ, — коэффициент? внутреннего трения асфальтобетонной смеси, цпр = = 0,7-Я),8. Сопротивление (Н) передвижению разогретого вибробруса по уплотняемой асфальтобетонной смеси Р ь. бр = бр^в. бр> где GB. бр — вес вибробруса, Н; рв.бр — коэффициент трения разогретого вибробруса по уплотняемой смеси, Цв.бр = (),5>&0,6. Мощность (кВг), необходимая для перемещения вибробруса: ^в. вр “ *5в. брпа. где SB. бр — общая площадь основания вибробруса, контактирующая со смесью, м2; п$ — коэффициент, представляющий отношение мощности к опорной площади вибробруса, контактирующей с материалом, определяют экспериментально; ns = 5-7-8 кВт/м8. Производительность вибробруса при уплотнении определяют так же, как и для виброплиты, с учетом, что г = 1 и скорость движения вперед не более 20 м/мин. Для определения асфальтобетонной массы, вовлекаемой в колебание, пока нет достаточно точных математических отношений. Мощность двигателя для привода вибровозбудителей бруса определяют исходя из экспериментально определенного значения: 2—3 кВт на 1 м2 опорной площади бруса. Производительность при уплотнении определяют аналогично производительности виброплит, при однослойной укладке г = = 1. Рабочая скорость бетоноотделочной машины составляет 2 м/мин. Глубинные вибраторы характеризуются центробежной силой и амплитудой колебаний. Центробежная сила (Н) Р цВ = /ЛдбГдбСО®, где тДб — масса вращающегося дебаланса, кг; гдб — расстояние от центра тяжести дебаланса до оси вращения, м; ш — частота вынужденных колебаний, Гц. Эта зависимость действительна и для наружных вибраторов с жестким или шарнирным дебалансом, применяемым для вибробрусьев и виброплит. Существенными параметрами в приведенной формуле для расчета глубинного вибратора являются статический момент тдбГдб и ускорение гдбю2. Центробежная сила Рцб идентична вынуждающей силе Рвын. Амплитуду колебаний (м) по периметру поверхности вибратора, "пренебрегая затуханием вибраций, определяют по формуле Од = тпбГ дб//Пвб> где твб — масса вибратора, кг. Мощность (Вт) двигателя глубинного вибратора ^'вб. гл = 1-^кол .....^ трЛ где kx — 1,1; Л^кол — мощность, затрачиваемая на колебания, NKOJI = = 0,5ЯЦба0 со sin ф [со — угловая скорость дебаланса; со = 2ялдд (гадg — частота вращения дебаланса, об/с, пдд = /1.4 для дебаланса с жесткой опорой; пд — частота вращения вала привода внутреннего вибровозбудителя); ф—фазовый угол ]. Фазовый угол определяют по формуле Ф = arctg - ЯвбЬввО' <о (тВб + т) где £>Вб, ^вб — диаметр и длина вибратора, м; D' — коэффициент затухания колебаний, D' = (3-н5) 10"2 Н-с/м3; твб — масса вибратора относительно плоскости воздействия вынуждающей силы, кг; тд — масса бетонной смеси, вовлекаемая в колебание относительно амплитуды колебаний внутреннего вибровозбудителя, кг. Мощность на преодоление сил трения в опорах вибратора определяется для двух случаев: дебаланса с жесткой опорой и откатываемого дебаланса. Для дебаланса с жесткой опорой следует учитывать трение в подшипниках качения: -Л^тр ” -^опИ'ОП ~2~ где Р0п — опорная реакция; |хоп — коэффициент трения в подшипниках качения, |хоп = 0,001-^0,002; dB— внутренний диаметр подшипника. Для обкатываемого дебаланса необходимо учитывать трение качения между взаимодействующими телами: А/тр == Л1рС0 = /^ном/р®, где Мр — момент фрикционного ролика, Н-м; Рном—номинальное усилие на подшипники скольжения, Н, для ф = 180° РНом = -Рцб! /р — коэффициент трения качения, /р = kp YrK (kp—коэффициент пропорциональности, £p=0,0002V'r/идд; гк — радиус кривизны между телами качения, м). Значения /гдб и гк определяют следующим образом: для дебаланса, обкатывающегося по внешнему вращающемуся кольцу: _ па    _ Dd ЛДб ~~ Did- 1 ’ Гк ~ 2 (D-d) ’ для дебаланса, обкатывающегося по центральной цапфе: _ па    _ Dd "аб ~ i_D/d ; Гк~ 2 (d — D)‘ где D — диаметр кольца или цапфы; d — диаметр дебаланса. Производительность (м3/с) при уплотнении глубинным вибратором где гг — радиус действия внутреннего вибровозбудителя, м, при DBg = 25 мм г-, = 80-И50 мм, при D„r = 50 мм г, = 150-Н250 мм, при = 75 мм гг = = 2504-300 мм, при Db6 = 100 мм ^=300-^450 мм; h — толщина уплотняемого слоя бетонной смеси, м; tx — время вибрации, для пластичного и жесткого бетона tx = 5-т-ЗО с; t2 — время перехода к новому месту уплотнения, tt = 3-ь8 с. Расчет виброизоляции рабочего места оператора. Параметры вибрации на раме машины и рабочем месте оператора должны быть ограничены. Действуют обязательные технические и санитарные нормы, ограничивающие вибрацию, передаваемую на оборудование и обслуживающий персонал. При расчете виброизоляции машин амплитуда (смещение) колебаний на раме машины не должна превышать 0,005 см. На рабочем месте оператора амплитуда колебаний во всех случаях должна соответствовать санитарным нормам и быть в 5,5 раз меньше /амплитуды колебаний рамы. Уплотняющие элементы (вибрационный брус и др.) подвешивают к раме машины на резинометаллических амортизаторах, сгруппированных в подвески. При расчете амортизаторов определяют допустимою статическую деформацию, допустимую прочность крепления резины к металлу и допустимые значения амплитуд вынужденных колебаний рабочего органа и рамы машины. Статическая деформация амортизаторов (м) fs. — P&ba/(tlaF а Са), где Ра — статическая нагрузка, приходящаяся на всю подвеску, Н; Ь& — толщина резинового слоя, м; па — число амортизаторов; Fa — площадь поперечного сечения амортизаторов, м2; Са — модуль статического сдвига, МПа, Са = = 0,5н-0,7 МПа. Напряжение на отрыв в плоскости сцепления резины с металлом (Год = Р^ba/(2naWа) [о^дош где Рд — динамическая нагрузка, Н; Wa — момент сопротивления сечения резинового элемента, Wа = 0,1сР (d — диаметр амортизатора, м); ОдОП — допускаемое напряжение на отрыв при пределе прочности на отрыв 1,5 МПа, адоп = = 0,5 МПа. Для установленного из условий прочности и допустимой статической деформации числа амортизаторов п& с известной жесткостью каждого амортизатора са рассчитывают амплитуду ар вынужденных колебаний системы на раме машины и определяют соответствие ее принятым техническим нормам, а также амплитуду ав. бр вынужденных колебаний уплотняющего бруса с тем, чтобы она была не ниже требуемой для уплотнения бетона. Расчет виброизоляции рамы машины. Расчетной схемой виброизоляции рамы машины является схема, при которой машину (раму-брус) рассматривают как систему с двумя степенями свободы (двухмассовую систему). Условие амортизации рамы машины предохранения оборудования от вибрации записывают ь следующем виде: Р Ь. бр ! ^В. бртВ. бр ^ н т < ашхп' гДе Рв. бр — вынуждающая сила вибробруса, Н; тдр — масса машины, кг; тв. gp — масса вибробруса, кг. Затем по числу принятых амортизаторов определяют амплитуду вынужденных колебаний уплотняющего бруса. Максимально допустимое значение жесткости амортизаторов (Н/м) шах = 0,18GnJId>2/g, где Qnil — вес площадки с оператором, Н; g = 9,81 м/с2. Конструкция амортизатора должна обеспечивать соблюдение расчетных величин. МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СОДЕРЖАНИЯ И РЕМОНТА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ И ПОКРЫТИЙ АЭРОДРОМОВ 9.1. МАШИНЫ ДЛЯ ЛЕТНЕГО СОДЕРЖАНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ И ПОКРЫТИЙ АЭРОДРОМОВ Поливочно-моечные машины предназначены для поливки и мойки дорожных покрытий, поливки зеленых насаждений, тушения пожаров, подвоза воды и других специальных видов работ. В зимнее время поливочно-моечные машины используют в качестве базовых машин для навески плужно-щеточного оборудования снегоочистителей. По назначению поливочно-моечные машины разделяют (рис. 9.1) на специализированные поливочные и моечные и наиболее распространенные универсальные поливочно-моечные. Поливочно-моечные машины базируются на автомобильных шасси» а также на грузовых полуприцепах и прицепах. По типу насосной установки поливочно-моечные машины можно разделить на машины с низким (до 1,0 МПа) и с высоким давлением воды (более 1,0 МПа). Повышенное давление воды при мойке дорожных покрытий позволяет уменьшить расход воды на единицу площади покрытия вследствие более высокой кинетической энергии водяных струй, однако требует дополнительных конструктивных мер, предупреждающих преждевременное дробление этих струй и их аэродинамическое торможение. Поливочно-моечные машины оборудованы сменными рабочими органами в виде щелевых поливочных и моечных насадков. Поливочные насадки обычно устанавливают симметрично относительно продольной оси машины, повернутыми вверх под углом 15—20° и более к горизонту и разворачивают в стороны на угол 10°. Моечные насадки обычно устанавливают повернутыми вниз под углом 10—12° к горизонту (рис. 9.2) и несимметрично повернутыми вправо относительно продольной оси машины для перемещения смываемых загрязнений с проезжей части дороги в сторону дорожного лотка, откуда загрязнения удаляются с помощью подметально-уборочных машин. Поливочно-моечные машины снабжают двумя передними или двумя передними и одним боковым моечными насадками; последний вариант позволяет значительно увеличить ширину мойки дорожного покрытия. Кроме того, к основным видам рабочих органов относится водяная моечная рампа в виде горизонтальной трубы с форсунками, установленной под углом в плане, равным 70—80°, к про- дольной оси машины. Угол установки форсунок водяной рампы относительно горизонтального дорожного покрытия существенно больше, чем у моечных насадков, а длина моющих секторов меньше, что обеспечивает более высокую скорость водяных струй на линии встречи с дорожным покрытием и соответственно меньший расход воды на единицу площади дорожного покрытия. Главный недостаток водяной рампы заключается в том, что ширина мойки обычно не превышает габаритной ширины машины, тогда как при использовании моечных насадков ширина мойки в 1,5—2,5 раза больше габаритной ширины машины и достигает 6—8 м. В последнее время на поливочно-моечных машинах применяют принципиально новый вид рабочего органа — водяное сопло для мойки дорожных лотков. Такое сопло позволяет создать при движении машины вдоль лотка перемещающийся водяной вал. Накапливающийся избыток воды с мусором периодически уходит в сточные колодцы ливневой канализации. Рис. 9.1. Классификация поливочно-моечнык машин Рис. 9.2. Схема взаимодействия моечного оборудования с дорожным иокрыгиеы Дополнительное оборудование поливочно-моечных машин включает передний косоустановлен-ный отвал снегоочистителя, цилиндрическую подметальную щетку со стальным или синтетическим ворсом. Некоторые зарубежные модели поливочномоечных машин оборудованы водосгонным косоу-становленным ножом, что улучшает качество очистки сильно загрязненных поверхностей и позволяет уменьшить удель-также является оборудование для поливки зеленых насаждений и тушения пожаров. Рабочее оборудование поливочно-моечной машины содержит сварную цистерну с верхней горловиной и нижним центральным клапаном с механическим, гидравлическим и электрогидравличе-ским управлением из кабины водителя для перекрытия подачи воды к насосу. Центральный клапан оборудован сетчатым фильтром. Центробежный водяной насос с приводом от коробки отбора мощности устанавливают на раме автомобиля. Сечение трубопроводов должно обеспечивать скорость воды не менее 0,2—0,3 м/с при минимальных местных сопротивлениях. Поливочные и моечные насадки имеют шарнирное или конусное крепление для установки под необходимыми углами во взаимно перпендикулярных плоскостях. ный расход воды. Дополнительным
Расчет поливочно-моечной машины включает определение рациональных параметров процесса поливки и мойки дорожного покрытия и баланса мощности, расчеты водяной системы и гидрооборудования, цистерны, нагрузок на оси, тягово-динамические, устойчивости и управляемости машины, производительности и др.-Главным параметром поливочно-моечной машины является вместимость цистерны. При определении параметров процесса мойки дорожного покрытия необходимо, задаваясь параметрами насосной установки и водяной системы машины, найти эффективную ширину мойки Ви (см. рис. 9.2) или решить обратную задачу. Взаимодействие моющих секторов с дорожным покрытием происходит по прямой (реже ломаной) линии СгВг, участок CiD1 которой определяет необходимое минимальное перекрытие моющих секторов. Центральный угол каждого моющего сектора <р = 50-f-60° определяется рациональной конструкцией моющих насадков. Вдоль линии встречи CxD2 образуется водяной вал, который движется поступательно со скоростью, равной скорости машины им, и одновременно смещается вдоль этой линии встречи со скоростью v = ум sin Р> где р — угол между линией встречи и перпендикуляром к направлению движения машины. Свободно лежащие на дороге загрязнения захватываются и уносятся водяным валом. В установившемся режиме мойки равновесие линии встречи CjDj определяется равенством количества движения насыщенного загрязнениями водяного вала в направлении векторов ом и им sin р и проекций на эти направления результирующих количества движения моющих секторов, которые в наиболее простом случае направлены вдоль биссектрисы АЕ каждого моющего сектора и равны 0,5muCTp (1 + cos а), где т — масса расходуемой воды через соответствующий насадок в течение промежутка времени t, т = Qt] а — угол наклона биссектрисы АЕ к горизонтали; иотр — скорость элементарной водяной струи моющего сектора в точке Е. Необходимо учитывать, что скорость истр значительно меньше начальной скорости струи, м/с, в критическом сечении насадка: v0 = 100ц. Y20pg/pB, где р, — гидравлический коэффициент расхода, |х = 0,8-4-0,95; р — давление воды на входе в насадок, МПа; g — ускорение свободного падения; рв — плотность воды, рв = 1000 кг/м®. Снижение скорости иотр обусловлено увеличением площади моющего сектора, перпендикулярной его биссектрисе АЕ, пропорционально удлинению этой биссектрисы. В направлении движения машины скорость истр геометрически суммируется со скоростью vu = 3-т-6 м/с. Условие равновесия количества движения воды по линии встречи C-JD2 позволяет определить оптимальный угол поворота этой линии: а    sin 8 Р    ® cos б + ом/»отр ’ где б — угол поворота биссектрисы моющего сектора относительно направления движения машины. Зная угол р, можно определить ширину Вм мойки, а также объемный расход воды qB. 0 на единицу площади мойки, зависящий от удельной массовой загрязненности дорожного покрытия qc. При использовании моющих насадков, давлении р = 0,3ч-0,4 МПа и q0 — 0,1 кг/м2 обычно принимают qB-0 рв = 1 кг/м2. Уменьшение количества движения моющих секторов по сравнению с оптимальным, равновесным значением, например, вследствие падения расхода Q или давления р приводит к прорыву загрязненной воды из водяного вала под моющие секторы и резкому ухудшению качества мойки дорожного покрытия; увеличение данного количества движения обеспечивает рост объема водяного вала и переход системы в новое равновесное состояние с увеличенной шириной Вм мойки. Ограничениями в последнем случае являются устойчивость водяных струй при повышении давления р. Гидравлический расчет водяной системы поливочно-моечной машины базируется на ураьнейии Бернулли: Рв ;
di )
<=i
10-е рв 2g
где рв, р — давления воды соответственно на выходе из насоса и на входе в моечные или поливочные насадки, МПа; рв — плотность воды, рв = 1000 кг/м?; vH, v — скорость водяного потока соответственно на выходе из насоса и в критическом сечении насадки, м/с; Vi — скорость водяного потока в отдельном t-м участке трубопровода; Xj — коэффициенты соответственно местных сопротивлений и скоростных потерь i-ro участка; It, d-i — длина и диаметр i-ro участка трубопровода. Уравнение тягово-динамического баланса поливочно-моечной машшш-.' т - г v fr- - 97>4^дв*Лтр W GuKvKj<pcц .....„д-—, где W — сопротивление движению машины, Н; GM — вес машины с полной цистерной, Н; Лр — коэффициент распределения веса машины с полной цистерной на ведущую ось, определяется на основании расчета координат центра масс машины; К] — коэффициент перераспределения веса машины на ведущую ось вследствие действия инерционных Сил при разгоне, Kj = 1,14-1,3 (большее значение принимают при движении на низших передачах); фоц — коэффициент сцепления, при движении в рабочем режиме по влажной поверхности дороги Фсц = 0,44-0,6 и в транспортном режиме по сухой поверхности фсц = 0,7—0,8 NдВ — номинальная мощность двигателя, кВт; i и т]тр — передаточное отношение и КПД трансмиссии машины йри движении на соответствующей передаче; ядв — частота вращения вала двигателя при номинальной мощности, об/мин; гк — динамический радиус качения ведущего колеса, м. Сопротивление движению W (Н) определяют отдельно для рабочего Wva6 и транспортного №тр режимов: ^раб 1=3 (/ ia -f- 6Bp//g); = GM (f + („ + бвРi'/g) + FB (Утр + vB)\ где f — коэффициент сопротивления качению колес машины, f = 0,02; 1Д — уклон дороги, г'д = 0,074-0,09; бвр и б'р — коэффициенты учета вращающихся масс при движении соответственно с рабочей и транспортной скоростями машины с полной цистерной, бвр =4 1 -f- 0,05 (1 + Р) GM/G(j, (<3ф — вес машины с фактической загрузкой цистерну); g — ускорение свободного падения; / и /' — ускорение машины при движении соответственно на низших и высших передачах, /= l,7-f-2 м/с2 и /' = 0,15-4-0,3 м/с2; чтр— транспортная скорость машины; ив — скорость встречного ветра, vB = 34-5 м/с; FB — коэффициент аэродинамического торможения машины; FB— 1,84-3,6 Н-с2/ма. Уравнение мощностного баланса поливочно-моечной машины составляют для рабочего и транспортного режимов с учетом потерь мощности на пробуксовывание колес машины: где Q — массовая подача водяного насоса, кг/с; рв — плотность води, рв = = 1000 кг/м3; рв — давление, создаваемое насосом, МПа; г]тр и т)'р — КПД трансмиссии при движении машины соответственно с рабочей vM и транспортной отр скоростями; г)Пр — КПД привода водяного насоса; г)ч — объемный КПД насоса, Т)н = 0,64-0,75; б — коэффициент буксования, б = 0,154-0,2.
(1—6) Ч:Р ’
Техническая производительность поливочно-моечной машины птех — 3600 (В Впер) 0М, где В — ширина поливки или мойки дорожного покрытия, м; Впер — ширина перекрытия проходов машины, 5пер = 0,1+0,2 м; ом — рабочая скорость, им = = 34-6 м/с. Эксплуатационная производительность (м2/ч) ЯЭК0 = 3600 F КъРвКъКЯъТ), где V — полезная вместимость цистерны, м3; Кп — коэффициент наполнения цистерны, Ки = 0,9-4-0,95; К в — коэффициент использования машины по времени, Кв = 0,85; qв — норма расхода воды, при мойке qB == 1 кг/м2 и при поливке <7в = 0,25 кг/м2; Т — цикл разлива цистерны, с, Т == tx + 1г + 2t3 + tt [tx — время разлива, tx = VKnKtlBqBvu (Kt — коэффициент, характеризующий неравномерность движения машины вследствие маневрирования, Kt = 1,2, при работе в ночное время Kt = 1; h — время наполнения цистерны; ts — время пробега машины к месту заполнения цистерны; tt — вспомогательное время) ]. Коэффициент, характеризующий эффективность очистки дорожного покрытия поливочно-моечными и подметально-убороч-ными машинами: Кэф = 1 — <7остЛ7н Ss 0,8 -f- 0,85, где qB и q0CT — соответственно начальное и остаточное количества загрязнений на единицу площади дорожного покрытия, кг/м2, при расчетах обычно принимается 9Н=0,1 кг/м2. Подметально-уборочные машины предназначены для удаления загрязнений с твердых дорожных и аэродромных покрытий, очистки городских территорий, сбора и транспортирования смета. Загрязнения на дорожном покрытии увеличивают проскальзывание колес автомобильного транспорта, особенно в сырую погоду. Качественная очистка дорожных покрытий может повысить коэффициент сцепления колес с дорогой на 12—15 % и среднюю скорость движения транспорта, снизить непроизводительные потери энергии на пробуксовывание колес. В загрязнениях на поверхности дороги 10—40 % составляют мелкодисперсные пылеватые частицы, которые при движении транспорта взвешиваются в воздухе, преимущественно на высоте до 1,5—2 м. Скорость осажде- Рис. 9.3. Классификация подметально-уборочных машин ния частиц диаметром 0,1 мм составляет 0,3 м/с, а диаметром 10_3 мм уменьшается до 3-10“5 м/с. Запыленность воздуха над дорогой существенно снижает долговечность автомобильных двигателей и ухудшает санитарно-гигиенические дорожные условия. Современные подметально-уборочные машины должны обеспечивать также обеспыливание воздушной среды в полосе дороги. Классификация подметально-уборочных машин показана на рис. 9.3. Подметальные машины отделяют и перемещают смет без его подборки косоустановленной цилиндрической щеткой в сторону от направления движения машины. Поэтому их используют преимущественно для подметания загородных дорог, внутри-дворовых территорий и для уборки снега в зимний период. Более высокое качество очистки обеспечивают вакуумноуборочные машины, оснащенные вакуумным подборщиком и пневматической системой транспортирования смета в бункер-накопитель, и вакуумно-подметальные машины, на которых вакуумный подборщик используют в комбинации с подметальными щетками. По качеству очистки вакуумно-подметальные машины имеют преимущество, так как щетки эффективно подают смет в вакуумный подборщик. Однако вакуумно-уборочные машины могут работать на более высоких скоростях с большей производительностью, поскольку скорость их движения не ограничена максимальной скоростью взаимодействия ворса щеток с дорогой. Мощные вакуумно-уборочные машины применяют для летней очистки аэродромов наряду со струйными уборочными машинами, оснащенными газоструйным соплом и аналогичным по конструкции газоструйным снегоочистителем. Общим недостатком машин с вакуумным подборщиком или газоструйным соплом является высокая энергоемкость рабочего процесса. Рабочими органами подметально-уборочных машин бывают цилиндрические, конические (лотковые) и ленточные щетки. Цилиндрические щетки диаметром окружности вращения до 1 м имеют горизонтальную ось вращения. Конические (лотковые) щетки с расположением ворса по образующей поверхности конуса с углом при вершине примерно 60° и осью вращения, наклоненной под углом 5—7° к вертикали, предназначены для направленного отброса смета. Наименее распространены вследствие малой надежности и эффективности ленточные щетки в виде бесконечной цепи с закрепленными на ней щеточными секциями, которые одновременно с отделением смета от дороги транспортируют его в бункер. На малогабаритных машинах для уборки тротуаров, особенно с навесным и прицепным рабочим оборудованием, используют одноступенчатую систему транспортирования смета в бункер непосредственно ворсом щетки — прямым забросом или когда бункер расположен позади щетки (рис. 9.4), обратным забросом «через себя». Для этих способов характерна малая вместимость бункера (до 1 м3). Кроме того, последний способ требует более высокой окружной скорости щетки и компенсации износа ворса. Наиболее широко используют многоступенчатое механическое транспортирование смета с параллельным- оси вращения цилиндрической щетки шнековым подборщиком и цепочно-скребковым транспортером. Недостаток такой системы заключается в ее низкой надежности и большой металлоемкости. Перспективным является механическое транспортирование смета в бункер промежуточным лопастным метателем. При щеточ-но-вакуумном (пневматическом) транспортировании вспомогательная цилиндрическая щетка уменьшенного диаметра подает смет в вакуумный подборщик; на машинах может быть также установлен промежуточный транспортер. В струйно-вакуумном подбор- Рис. 9.4. Схемы рабочего оборудования подметально-уборочных машин: а • с прямым забросом смета; б — с обратным забросом смета; в — с забросом смета лопастным метателем, г — с забросом смета ленточной щеткой; д — со шнековым и цепочно-скребковым транспортерами; е — со щеточно-вакуумным подборщиком и гравитационным отделением смета; ж — со струйно-вакуумным подборщиком н инерционным отделением смета; 1 — бункер; 2 — цилиндрическая щетка; 3 — лопастной метатель; 4 — ленточная щетка; 5 — скребковый транспортер; 6 — шнек; 7 — всасывающий трубопровод; 8 — фильтр; 9 — напорный трубопровод; 10 — вакуумный вентилятор; // — вакуумный подборщик; 12 — сдувающие сопла; 13 — циклон; 14 — коническая щетка щике щеточный ворс заменен сдувающими соплами, воздушные по-токи которых обеспечивают отрыв загрязнений от дорожного покрытия и перемещение их к всасывающему трубопроводу. Отделение крупного смета в бункере обеспечивается гравитационным способом. Пылеватые частицы задерживаются тканевыми фильтрами с устройствами для их периодической регенерации встряхиванием, вибрацией, обратной продувкой и др. При струйно-вакуумной системе транспортирования через фильтр в атмосферу выбрасывается не более 20—25 % воздуха, остальная его часть без очистки от пыли подается в сдувающие сопла, частично замыкая систему циркуляции воздуха. Способы разгрузки подметально-уборочных машин бывают: гравитационный, когда смет высыпается из бункера под действием собственного веса при открытии люка или задвижек; самосвальный — поворотом бункера или контейнера; принудительный — эжектированием вбок или назад с помощью подвижной стенки — выталкивателя с механическим или гидравлическим приводом. При небольшой вместимости бункера (до 2—3 м3) целесообразна разгрузка смета непосредственно на обслуживаемом участке. Поэтому некоторые машины оборудуют сменными стандартными контейнерами, а также механизмами выгрузки смета в контейнеры или приемный бункер мусоровоза. В качестве дополнительного оборудования подметально-уборочных машин используют выносной вакуумный подборщик для уборки опавших листьев и загрязнений из труднодоступных мест, электро- Рис. 9.5. Схема взаимод