Машины для специальных землянных работ - часть 1

ББК 38.623—5 6С6.1 В39
УДК 624 (07)
Ветров Ю. А., Баладннск"И‘й В. Л. Машины дая специальных земляных работ: Учеб. пособие для вузов.— Киев: Вища школа. Головное изд-во, 1980.— 192 с. 30207. 3204010000.
Описаны современные конструкции машин для прокладки линий связи и других коммуникаций в талых и мерзлых грунтах и под водой, для рыхления грунтов, устройства глубоки* траншей-щелей, опускных колодцев, машин для работы в обводненных грунтах и др. Приведены методы расчета машин и выбор их параметров.
Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Строительные и дорожные машины и оборудование».
Табл. 25. Ил. 126. Список лит.: 22 назв.
Рецензенты: проф. А. М. Холодов (ХАДИ). доц. И. П. Головач (КАДИ}
Редакция литературы по строительству, архитектуре и коммунальному хозяйству
Зав. редакцией В. В. Гаркуша
в Ътт^т |б6&8°- займах».
© Издательское объединение «Вища школа», 1980.
В программе развернутого строительства коммунизма в нашей стране, намеченной партией Ленина, особое внимание уделено вопросам ускорения темпов научно-технического прогресса — решающего условия повышения эффективности общественного производства и улучшения качества продукции. - Для осуществления этой задачи,— одной из главных задач развитого социализма,— большое значение имеет механизация производственных процессов и, в частности, строительства.
Механизация строительства способствует повышению производительности труда и качества строительных работ, уменьшению фронта работ при сохранении и увеличении темпов строительства, его индустриализации. Поэтому в развитии народного хозяйства механизации строительства уделяется огромное внимание, что подтверждается быстрым ростом парка строительных машин в СССР. Однако только количественного роста парка строительных машин и оборудования недостаточно,для требуемого повышения производительности труда. Необходимы большие качественные изменения в парке машин и оборудования, принципиальное улучшение средств механизации строительства, ускоренная замена устаревшей землеройной техники, увеличение единичной мощности машин, создание и внедрение принципиально новых орудий труда.
В строительных работах одними из наиболее трудоемких являются земляные работы. Быстрому развитию техники для их производства способствовали труды советских ученых и инженеров в области теории, конструкции и рабочих процессов машин для земляных работ. Особенно велики заслуги в этой отрасли академика В. П. Горячкина, профессоров Н. Г. Домбровского, А. Н. Зеленина, А. Д. Далина, Д. П. Волкова, С. А. Панкратова, Д. И. Федорова, А. М. Холодова, В. И. Баловнева, К. А. Артемьева, Т. В. Алексеевой, М. И. Гальперина, Б. И. Сатовского, Н. А. Ульянова, Н. Я. Хархуты.
з
]*
Основную долю всех земляных работ выполняют машины универсального назначения — экскаваторы, скреперы, бульдозеры. Но есть много видов земляных работ, где использование этих машин нецелесообразно — разработка прочных, мерзлых и обводненных грунтов, устройство узких щелей и опускных колодцев, прокладка линий коммуникаций, подводные работы. Хотя их объемы относительно невелики, стоимость значительна. Например, прокладка 1 км линий связи в горных условиях и прочных грунтах в 15— 18 раз дороже, чем в обычных условиях — на равнине и в слабых грунтах. В настоящем учебном пособии описаны современные конструкции отечественных и зарубежных машин для прокладки линий связи в талых грунтах и под водой, для рыхления прочных грунтов, устройства глубоких траншей, опускных колодцев и т. д. Знание конструкций машин для специальных земляных работ, методов их расчета, проектирования и рационального применения позволит научно обоснованно подходить к производству земляных работ, выбору наиболее эффективных средств их механизации. Глава 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ МАШИН ДЛЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ § 1. КЛАССИФИКАЦИЯ МАШИН ДЛЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ Технологические операции рабочего процесса землеройных и землеройно-транспортных машин общего назначения заключаются обычно в механическом разрушении слоя грунта, его отделении от массива, накоплении и захвате грунта, последующем перемещении его по поверхности массива или в пространстве и укладке в отвал или погрузке в транспортную машину. В машинах для специальных земляных ра<?от применяется большое количество других методов технологического воздействия на среду — температурный, электрогидравлический, взрывной, ультразвуковой, ударный, вибрационный или виброударный и т. д. В этих машинах реализованы или традиционные методы воздействия на среду со специальными (особыми) кинематическими и геометрическими условиями. рабочего процесса,- или особые технологические методы воздействия на среду, или сочетание особых кинематических и геометрических условий рабочего процесса с особыми технологическими методами. Машины для земляных работ общего назначения классифицируют обычно по преобладающим признакам рабочего процесса — землеройные, землеройно-транспортные, для подготовительных и вспомогательных земляных работ и машины для гидромеханизации земляных работ. Кроме того, их различают по принципу действия, виду привода, системе управления, ходовому оборудованию, мощности. В машинах для специальных земляных работ основным принципом является их технологическое назначение. К первой группе относят машины для специальных подготовительных и вспомогательных земляных работ — для разрушения грунтов с целью понижения их крепости до уровня, допускающего эффективную разработку землеройными и землеройно-транспортными машинами, для осушения обводненных грунтов, уборки валунов, удаления пней, разрушения и удаления старых дорожных покрытий и т. п. Вторую группу составляют машины для устройства равнообразных выемок специального назначения, включая ямы для столбов и посадки деревьев, специальных котлованов, скважин, мелиора* тивных каналов, глубоких щелей. К третьей группе относят машины для образования полостей в грунтовом массиве под его поверхностью, в том числе при сооружении тоннелей, бестраншейной прокладке трубопроводов, а также машины для прокладки линий связи и других специальных подземных коммуникаций, дренажей и т. п. В отдельные группы выделяют машины для подводных земляных работ (самоходные и дистанционно управляемые бульдозеры), для земляных работ при устройстве и погружении свай и опускных колодцев, для мелиоративных работ. $ 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ГРУНТОВ КАК РАБОЧЕЙ СРЕДЫ Основной рабочей средой машин для специальных земляных работ являются разнообразные грунты, отдельные виды полезных ископаемых, главным образом нерудных, лед и естественные льдогрунтовые смеси, остатки) рр-йпаедошх в; негодность или перестраиваемых сооружений. Под г р у н т ам и в; строительстве подразумеваются горные породы, образующие поверхностные слои земли и составляющие так называемую кору выветривания, которые йогут служить основанием ня материалом длй сооружений.. По происхождению, состоянию и< механической прочности грунты делят на пять классов: скальные, полускальные, крупнообломочные, песчаные и глинистые. К сшлшым грунтам относят сцементированные водоустойчивые и практически несжимаемые горные породы с пределом прочности при сжатии в водошаищен-ном состоянии не менее 5 МПа (граниты, песчаники, известшшй и", пр.), залетающие обычно в; виде сплошных, массивов).    1 -.о К полускальным грунтам относят сцементированные горные породы с пределом прочности при сжатии в водонасыщенном, состоянии до Б МПа, способные к уплотнению (мергели, окаменевшие глины и др.) и неводостойкие (гипс, гипсоносные конгломераты). Крупнообломочные грунты состоят из несцементированных кусков пород, образующих грунты первых двух классов. Песчаные грунты состоят из несцементированных частиц (зерен, песчинок) горных пород размером 0,05^-2: мм, представляющих собой, как правило, естественно разрушившиеся и преобразованные в большей или меньшей1 степени! скальные грунты или минерализовавшиеся, но неокаменевшие осадки. Глинистые грунты также являются продуктом естественного разрушения и преобразования первичных горных пород, образующих скальные грунты, но с преобладающим размером частиц'менее 0,005 мм. Основным объектом разработки в строительстве являются песчаные и глинистые, а также крупнообломочные и полускальные грунты, покрывающие большую часть земной поверхности. Поэтому машины для земляных работ, в том числе и специальных, рассчитывают на преодоление сопротивления главным образом этих грунтов. Скальные грунты для разработки обычно предварительно рыхлят или ослабляют взрывным способом, понижая их механическую; прочность до, уровня прочности крупнообломочных грунтов. Естественные льдопесчаные смеси, лед, замерзшие песчаногглинис-тые грунты, остатки сооружений, значительная часть нерудных полезных ископаемых, которые могут быть объектом воздействия машин для специальных земляных работ, по своим механическим характеристикам приближаются к полускальным и крупнообломочным грунтам. Физиио-механические свойства грунтов характеризуются признаками петрографии, условиями, залегания* физическим состоянием*, влажностью и механическими свойствами. К признакам петрографии относятся минеральный состав, структура и текстура грунтов. Признаки физического состояния включают гранулометрический состав грунтов, пористость, влажность, температуру, Теплопроводность, а также разрыхляемость при разработке и уплотняемость при укладке после разработки. К признакам, зависящим от количества и состояния содержащейся в грунте воды, относятся пластичность, размокаемость, набухаемость, водопроницаемость. и. липкость. Признаками механических свойств грунтов являются сцепление, сопротивление сжатию, растяжению, сдвигу, резанию, копанию, внешнему и внутреннему трению, абразивность, несущая способность. Гранулометрический состав, являясь однщип из основных признаков физического состояния грунтов, определяет такжз наименование рада из них. Грунтовые частицы крупностью меньше 0,005 мм называют глинистыми, от 0,005 до 0,05. мм, — пылеватыми,. от 0,05 до 2 мм — песчаными. Зерна и куски грунта размером от 2 до 20 мм называют гравием (окатанные) или- дресвой (остроугольные), от 20 до 200 мм галькой или щебнем и более 200 мм — валунами или камнем. В зависимости от содержания глинйстых, пылеватых и песчаных частиц различают глины (содержат более 30% глинистых частиц), суглинки (глинистых частиц от 10 до 30 %, в остальной части объема преобладают пылеватые и песчаные частицы), супеси (глинистых частиц от 3 до 10%, в остальной части объема преобладают песчаные и пылеватые частицы). В Единых нормах и расценках на строительные, монтажные и ремонтно-строительные работы приведен перечень грунтов, наиболее часто встречающихся при производстве земляных работ в строительстве. Это сланцевая глина — плотная порода: черного или темно-серого цвета, частично кристаллизованная под влиянием большого давдешя. Характеризуется способностью распадаться на тонкие плитки независимо от первоначальной плотности. Лесс — тонкодисперсный, пористый на ощупь грунт буроватопалевого или серого цвета, с примесью известняковых частиц в виде отдельных кусочков и трубочек; легко впитывает воду; в сухом состоянии держится в вертикальных стенках траншей; содержит большое количество пылеватых частиц (до 70%). Мергель — полускальный грунт серо-зеленого, бурого ил» желтого цвета, состоящий из известняка и глины. Содержание глины — 25— 60%. При содержании 5—10% глины образуется мергелистый известно при содержании 10—25% глины — известняковый мергель. После выветривания мергель превращается в рыхлую массу — рухляк. Опоки — грунт, образовавшийся в результате цементации кремнистых скелетов губок- и раковин в толще морских отложений. Морена — грунт ледникового происхождения, состоящий обычно из глины и суглинков, включающий валуны различной крупности. Гранулометрический состав грунта определяют по процентному содержанию фракций при просеивании на стандартном наборе сит и осаждении частиц грунта в воде. Отношение диаметров частиц, соответствующих содержанию 60% и 10%.фракций, называется коэффициентом неоднородности: kH = deo/di0.    (1) Грунты рассматривают как многофазную систему, состоящую из твердых минеральных частиц, газа и жидкости, заполняющих в той или иной степени поры между твердыми минеральными частицами. Под плотностью грунта следует понимать величину, определяемую отношением его массы к объему: рг = mT/V„    (2) где тТ — масса грунта; Vr — его объем. Под пористостью п понимают отношение объема, занятого порами, ко всему объему грунта. Коэффициентом пористости е называют отношение объема пор к объему скелета грунта. Пористость в процентах определяется выражением прт--100-    (3) Пористость таких крупнопористых грунтов, как щебень, галька, гравий, определяют измерением объема воды, необходимого для за- ■ полнения всех пор. Коэффициент пористости глинистых грунтов обычно находится в пределах от 0,2 до 0,6, песчано-гравелистых — 0,35—0,45. Влажность грунтов измеряют выраженным в процентах отношением массы тв воды, заключенной в порах породы, к массе скелета (твердых частиц) тс: W^Ss-100.    (4) тс    ' Характеристикой заполнения пор в грунте служит коэффициент еодонасыщения G = W/We,    (5) где We — полная влагоемкость, т. е. предельная влажность грунта, возможная при данной пористости; re = -S&-100,    (6) где Yb — удельный вес воды, уГ — удельный вес грунта. При G < 0,5 грунты называют сухими (маловлажными), при 0,5 < G < 0,8 — очень влажными и при 0,8 ^ G ^ 1 — водонасыщен- ними (влажность глинистых грунтов находится обычно в пределах 25—45%). Связь между основными характеристиками грунтов, согласно основным положениям механики грунтов [20], То = Yo (1 + ^/Ю0); Yc =Yp(1—«); Yo = Yr(l-")(! +^/ЮО),    (7) где v0 — сила тяжести единицы объема грунта; ус — удельный вес скелета грунта. Рис. I. Диаграмма сдвига связных грунтов.
Прочность грунтов характеризуется их способностью сопротивляться внешним силовым воздействиям. Разрушение грунта происходит в результате развития в нем сложного напряженного состояния. Прочность и деформируемость грунта оценивают по свойствам слагающих его частиц и связей между ними. Прочность - частиц обусловлена внутримолекулярными силами, а прочность связей между частицами — сцеплением. В дисперсных грунтах различают несколько видов сцепления: собственно молекулярное, цементационное, структурно-коллоидное, водноадсорбционное и механическое. Разрушение рассматривают как результат преодоления сил внутренних связей между частицами. Сцепление и внутреннее трение частиц грунта между собой характеризуют сопротивление сдвигу. Для практических расчетов в механике грунтов принято, что сопротивление сдвигу является линейной функцией нормального напряжения по поверхности сдвига (рис. 1). Угол ф, равный углу сдвига, называется углом внутреннего трения. Тангенс этого угла равен коэффициенту внутреннего трения грунта /т. Сцепление с характеризуется отрезком Od. Уравнение прямой ab выражает закон Кулона для связных грунтов [20]: тпр = с + tg сра,    (8) = с -f fTCT, (9)
«-пр
где тпр — предельное сопротивление грунтов сдвигу; /т — коэффициент внутреннего трения; ст — нормальное напряжение. Закон Кулона распространяется и на сложное напряженное состояние грунта. При главном нормальном напряжении о и главном боковом напряжении а условие предельного равновесия (условие прочности) сыпучей среды без сцепления имеет вид (10)
в
условие предельного равновесия связных грунтов — (И) здесь — коэффициент сцепления. Отношение а ко называется коэффициентом бокового давления R: Прочностные свойства мерзлых грунтов определяются связующим действием льда, поэтому их механическая прочность зависит не от прочности минеральных частиц, а от прочности связей. Прочность связей, в свою очередь, зависит от температуры, изменяющей структуру и агрегатное состояние воды, влажности, гранулометрического состава грунта. Упругие свойства мерзлых грунтов характеризуются модулем упругости и коэффициентом. Пуассона. Модуль упругости по. данным Н. А. Цытовича и И. С. Вологдиной Е =*=■аи..тЬ [W + Yv^2 + &vt3i    (14) где cty, Pv, yv, $v — коэффициенты, зависящие от гранулометрического состава грунта,, его влажности и внешнего давления; t — абсолютная величина отрицательной температуры. Модуль упругости, увеличивается, с повышением влажности, понижением температуры и с увеличением размеров, фракций грунту Коэффициент, Пуассона (,иобычдо лежит в. пределах 0,13—0,48 и является функцией тех же параметров,, что и величина Е. Прочность мерзлых грунтов • при различных видэх деформаций, возрастает с повышением влажности; и понижением температуры. Максимальная прочность соответствует полному льдонасыщению. Дальнейшее увеличение влажности умщьщает прочность мерзлого грунта. Наибольший предел прочности мерзлые грунты имеют при одноосном сжатии, далее идут сдвиг, изгиб и разрыв. Поэтому наименее энергоемким способом разрушения мерзлых грунтов является разрыв. А. Н. Зеленин предложил считать сопротивление мерзлых грунтов разрушению в процессе резания пропорциональным числу ударов плотномера ДорНИИ и определять силу резания мерзлого грунта по формуле [15] Р = C'h VSA , (15)
где С — число ударов плотномера ДорНИИ' с наконечником- площадью 1 см2 (табл. 1);, h — глубина резания,, см; S — ширина режущего профиля, см; А — коэффициент, учитывающий затупление рабочего органа. Для острых ножей Д = 0,85, для слегка затупленных ножей А = 1. Эта зависимость справедлива при оптимальном угле резания, равном 30°. Важной характеристикой грунтов, особенно замерзших, является температура. Твердые частицы грунта, слабо связанные между собой, вследствие отрицательной температуры цементируются льдом, и грунт превращается в сплошной и прочный монолит. Крепость мерзлого грунта зависит от количества воды, перешедшей в лед. Работами Н. А. Цьпчэви*»* FL И'. Андрианова, А. Е. Федосеева' и рэда других ученых установлено, что даже при очень низких температурах (минуо Таблица I. Числе1 ударов плотномера ДорНИИ для мерзлых грунтов Грунт - Влажность % 1 Число ударов при температуре грунта, °С Т яжелая супесь 12 ’ Г5 : 19 : 28 40—50 65—75-! 75 —85 ■ 65—75, 55—65 ■ 105—120 140—160 120—130 270—290. ' 230—240 330—360 . 450—480 400—420 Сугли 2$—33" I бО^ТОг ; 34—37 110,—120 , 150—1,60 36—40 150—185 195-2-20 140—Г50 75—80 40—43 215—235 - 260—280 210—230 110—123 43—50 240—260 330—340 150—270 , 165у—175 Глина 35—40 &-60 : 66*—70 40—45 70—80 90—100 | 1.20—130 65—70 » . : • 150—165 ‘ I9CK—2Т0 '110—220 135—Г45 290—310-’ 250—270 270—283 290—320 ; 235—245 Песок : 12—14 ; 30—55* 1'5®—160 _■ ' 15—18 : 65—70 200—21® ——->И .■ ' 1 ’ 20-—22 $Llgio 22Q—230 25—27 90—95 : 24Ю—250 - 1 32—35 1120—130 265—300 160—180° С) в; грунте имеете» незаадерэшяя вода. Механические свойства замерзшего грунта зависят от количества незамерзшей' воды, находящейся в грунте. G понижением температуры прочность грунтов возрастает. Например, удельное сопротивление' резанию глин средней плотности при влажности 25% в талом состоянии составляет около 0,2 МПа, а при температуре грунта минус 20° С эта величина достигает 5—6 МПа, т. е. прочность грунта увеличивается более чем в 25 раз, Скальные, полускальные и крупнообломочные грунты часто неоднородны, трещиноваты и имеют различные включения. Их прочность характеризуется временным сопротивлением раздавливанию или пределами прочности на изгиб, растяжение, сдвиг и сжатие. Абразивность — способность грунтов, изнашивать при трении взаимодействующие с ним» детали и элементы конструкций машин. Увеличение рабочих скоростей и все большее использование методов динамического воздействия на грунты (ударного, вибрационного, виброударного и пр.) делает необходимым все в большей степени принимать во взимание характеристики сопротивления грунтов в условиях динамического воздействия: динамический модуль упругости ЕД, динамический коэффициент Пуассона |ыд, скорости распространения продольных Ыпр« поперечных и„оп волн деформаций, характеристики сопротивляемости грунтов при динамических нагрузках (динамические диаграммы «напряжение — деформация»): Рис. 2, Зависимость функции а (е) от скорости внедрения рабочего органа в грунт.
ад = /(ед). (16) Исследования [7], [91, [20] показали, что в водонасыщенных грунтах вид динамической функции стд (ед) отличается от статической. Вид кривых (рис. 2) зависит от скорости деформации. Кривая 1 соответствует статическому нагружению, кривые 2, 3, па — увеличивающейся скорости нагружения. Явление динамического сжатия характеризуется весьма малой длительностью процесса, статического — от нескольких часов для песчаных грунтов до нескольких суток — для глинистых. Кривые о (е) определяются в лабораторных условиях при динамическом или статическом нагружении [7], [9]. Динамический модуль упругости Ед более стабильная величина по сравнению с модулем упругости при статическом нагружении Еу и модулем общей деформации ЕоГ)Щ (при трехосном нагружении). Значения Еу и £обЩ зависят от величины и продолжительности действия нагрузки. С уменьшением времени действия нагрузки Еу и Е^щ увеличиваются, так как величина деформации уменьшается. Модуль Ел характеризует сопротивление грунта в условиях быстрого и весьма быстрого приложения нагрузки и обычно определяется при помощи ультразвуковой аппаратуры. Для связных грунтов достаточно полной характеристикой условий прочности могут служить показатели сопротивления грунтов сдвигу: сцепление с и коэффициент внутреннего трения fT. § 3. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ КЛАССИФИКАЦИИ ГРУНТОВ Разрыхляемость грунтов существенно влияет на рабочий процесс машин для земляных работ. Грунты, имевшие в массиве характер сплошной среды, в процессе разработки превращаются в кусковатый или сыпучий материал с объемом пор и пустот значительно большим, чем до разработки. Поэтому масса единицы объема грунта после разра- Таблица 2. Коэффициенты первоначального и остаточного разрыхления (увеличения объема) грунтов по ЕНиР__ Коэффициент разрыхления kpa3 Грунт первоначального остаточного Г алька 1,26—1,32 1,06—1,09 Глина: ломовая 1,26—1,32 1,06—1,09 мягкая 1,24—1,3 1,06—1,09 моренная 1,26—1,32 1,06—1,09 сланцевая 1,26—1,32 1,06—1,09 Гравий мелкий и средний Грунт растительный: без корней 1,14—1,28 1,02—1,05 1,03—1,04 с корнями' 1,14—1,28 1,02—1,05 влажный 1,14—1,28 1,02—1,05 сухой 1,24—1,3 1,04—1,07 Мергель 1,33—1,37 1,11—1,15 Опоки 1,33—1,37 ' 1,11—1,15 Песок 1,08—1,17 1,01—1,03 Песок со щебнем и гравием 1,14—1,28 Разборная скала 1,3—1,45 Скальные разрыхленные грунты 1,45—1,5 Солонец и солончак мягкие 1,14—1,28 1,02—1,05 Суглинок легкий и лессовидный 1,14—1,28 1,02—1,05 Суглинок тяжелый 1,24—1,3 1,04—1,07 Супесь 1,08—1,17 1,03—1,03 1,03—1,04 ботки уменьшается по сравнению с массой единицы объема грунта в массиве. При разработке различными машинами грунт разрыхляется неодинаково. Степень разрыхления грунта зависит также от его влажности. Таблица 3. Липкость грунтов к конструкционным материалам при давлении начального прижатия 0,15 МПа (8| Материал ность, Липкость i МПа Материал ность, кость, Сталь необработанная Сталь с чисто обработанной поверхностью. Чугун с чисто обработанной поверхностью Капрон Алюминий Транспортерная лента Микропористая резина Фторопласт Цемент марки М500 Стекло 26.6 26,8 25,4 Объемы земляных работ и производительность машин для их выполнения вычисляют по объему грунта в состоянии естественного залегания. Поэтому при установлении вместимости ковшей машин для земляных работ и кузовов транспортных машин, а также ряда других расчетов необходимо учитывать увеличение объема разрабатываемого грунта вследствие разрыхления. Среднее увеличение объема грунта при разработке характеризуется данными, приведенными в табл. 2. Таблица 4. Классификация грунтов по буримости [12] Категория грунта Время бурения 1 м шпура, мин Средняя объемная масса, кг/мэ Категория грунта Время бурения 1 м шпура, мин Средняя объемная масса, кг/м’ 600—1700 2500—2700 600—1800 2700—2800 1200—1950 2600—3300 1500—2200 2700—3300 1100—2700 2900—3300 1500—2300 Таблица 5. Классификация горных пород [9] Степень крепости Порода пости Высшая Наиболее крепкие кварциты и базальты Очень крепкая Крепкий гранит. Кварцевый профир очень крепкий, кремнистый сланец, менее крепкие кварциты, крепкие песчаные известняки Крепкая Плотный гранит, менее крепкие песчаники и известняки, кварцевые рудные жилы, крепкий конгломерат, очень крепкие железные РУДЫ Некрепкий гранит, крепкий мрамор, доломит. Колчеданы Довольно крепкая То же Обыкновенный песчаник. Железные руды Песчаные сланцы. Сланцевые песчаники Средняя Крепкий глинистый сланец. Некрепкий песчаник и известняк, мягкий конгломерат Разнообразные сланцы. Плотный мергель Довольно мягкая Мягкие сланец, известняк, мел, гипс. Мерзлый грунт, антрацит. Обыкновенный мергель. Разрушенный песчаник Щебенистый грунт. Разрушенный сланец, слежавшаяся галька и щебень, отвердевшая глина Мягкая Плотная глина. Мягкий каменный уголь. Глинистый грунт Легкая песчаная глина, лесс, гравий Землистая Растительная земля. Торф. Легкий суглинок, серый песок Сыпучая Песок, осыпи, мелкий гравий, насыпанная земля Плавучая Плывуны, болотистый грунт, разжиженные грунты После укладки в сооружение разрыхленный грунт уплотняется естественно или искусственно. Степень уплотнения зависит от времени естественного уплотнения грунта или технических возможностей -уплотняющих машин. Для расчетов принимают среднюю величину остаточного разрыхления грунтов, приведенную в табл. 2. Важным свойством, главным образом, глинистых грунтов является липкость, которая заметно проявляется при определенной влажности Сейсмическая скорость, тыс. футов в секунду 12 3 4 5
10 11 12 Грунты на краю рыхтности Грунты нерытмые
Почвенный слой Глина Валунная глина извергнутые породы Гранит Базальт Трапп Осадочные породы Сланец Песчаник Алевролит Суглинок Конгломерат Брекчия Чилийская селитра Известняк Метаморфические породы Шифер Сланец Минералы и руда Уголь Железная руда Грунты рыхлимые Рис. 3. График сейсмической рыхлимости прочных грунтов.
грунта в присоединении его к конструкционным материалам машин (табл. 3). Сила такого присоединения, например к стали, достигает 0,01—0,02 МПа. Это значит, что на горизонтальном стальном листе силами липкости может удержаться слой грунта толщиной до нескольких десятков сантиметров. При большой липкости грунта усложняются его выгрузка из ковша машины или кузова, условия работы конвейера и передвижки машины. Таким образом, при большой липкости глинистых грунтов необходимо предусматривать специальные защитные мероприятия. В зависимости от трудности разработки машинами грунты делят на группы. В зависимости от группы трудности разработки установлены нормы времени и расценки [121. При этом для разных типов машин деление грунтов по группам не совпадает.
Группы грунтов по трудности их разработки экскаваторами (всего шесть) приведены в работе [9]. В «Строительных нормах и правилах» [123 приведена классификация грунтов по времени бурения в них шпура глубиной 1 м и объемной массе. По этой классификации песчаные и глинистые грунты образуют первые три категории, остальные включают полускальные и скальные Таблица 6. Продолжительность зимнего периода в некоторых районах СССР [9] Республика, область или край Продол житель ность зимнего периода Республика, область или край Продол житель ность зимнего периода РСФСР Днепропетровская обл. Красноярский край Ворошиловградская обл. Хабаровский край Черкасская обл. Читинская обл. Запорожская обл. Архангельская обл. Житомирская обл. Иркутская обл. Тернопольская обл. Бурятская АССР Винницкая обл. Мурманска^ обл. Кировоградская обл. Амурская обл. Ровенская обл. Коми АССР Ивано-Франковская обл. Омская обл. Хмельницкая обл. Тюменская обл. Закарпатская обл. Свердловская обл. Николаевская обл. Горьковская обл. Львовская обл. Вологодская обл. Херсонская обл. Ленинградская обл. Одесская обл. Саратовская обл. Крымская обл. Московская обл. Воронежская обл. Могилевская обл. Брянская обл. Минская обл. Ростовская обл. Гомельская обл. Ставропольский край Брестская обл. Калининская обл. Литовская ССР Дагестанская АССР Эстонская ССР Киргизская ССР Сумская обл. Латвийская ССР Харьковская обл. Молдавская ССР Киевская обл. грунты. Начиная с четвертой, категории установлены в зависимости от времени бурения 1 м шпура, как принято в горной промышленности по шкале М. М. Протодьяконова (сына) (табл. 4). Для практической оценки трудности разработки полускальных и скальных грунтов, а также полезных ископаемых М. М. Протодьяконов (сын) предложил использовать показатель, характеризующий затраты энергии на измельчение образца материала. Этот показатель находят с помощью прибора определения крепости (ПОК), основываясь на допущении о пропорциональности затраченной на дробление работы площади, образованной при разрушении поверхности кусков породы: f = 20 п/1, где f — коэффициент крепости по шкале М. М. Протодьяконова; п — число ударов груза; I — высота столба пылевидных частиц, полученных в результате толчения. За единицу принимают крепость породы, которая при сжатии может выдержать давление 10 МПа (табл. 5). Применение сейсмографа для определения рыхлимости прочных грунтов основано на измерении времени, которое необходимо для прохождения звуковой волны от передатчика до приемника сквозь грунт. Скорость этой волны в прочной породе доходит до 6000 м/с, мягкой — до 300 м/с. Фирма «Катерпиллар» (США) составила график рыхлимости породы для разных моделей своих машин и рыхлителей (рис. 3). Из графика видно, что многие из прочных грунтов рыхлимы при скорости прохождения волны до 7—8 тыс. футов в секунду (2500—3000 м/с). Эта сейсмическая скорость является границей экономичного рыхления. Для определения условий работы землеройных машин в зимних условиях нужно знать температуру грунта, глубину его промерзания и длительность зимнего периода (табл. 6). § 4. ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ И СОПРОТИВЛЕНИЯ ГРУНТОВ В ПРОЦЕССЕ РЕЗАНИЯ С ОТДЕЛЕНИЕМ СТРУЖКИ Многие типы машин для специальных земляных работ устроены и действуют по принципу резания грунтов с отделением стружки. Этот принцип обеспечивает в определенных условиях не только эффективное разрушение грунтовой среды, но и образование геометриче- Рис. 4. Положение инструмента в процессе резания с отделением стружки: а прямоугольного; б косоугольного. ских форм поверхности массива, задаваемых конкретными целями производства. Одно из основных условий рационального применения резания грунтов с отделением стружки заключается в сохранении (или небольших изменениях) определенного геометрического положения рабочего 2 9-3105    17 инструмента относительно поверхности грунтового массива и относительно небольшой рабочей скорости (до 2—3 м/с). В технологическом отношении, под резанием грунтов подразумевается процесс отделения от грунтового массива кусков или слоев (стружек) инструментом клинообразной формы. В физическом понимании — это один из способов механического разрушения грунтов. Наибольшее распространение имеет способ прямоугольного резания грунтов с отделением стружки, при кото- 3 '    и Рис. 5. Разновидности резания грунтов с отделением стружки: а — прямоугольное плоским клином; б —* косоугольное плоским клином; в — прямоуголь* ное плоским клином с режущей кромкой, очерченной по ломаной линии; г то же, по выпуклой кривой; д, е — двугранным и трехгранным ножами; ж, з, к косое криволинейным ножом; и — прямоугольное криволинейным ножом; л —» блокированное прямоугольное* м — прямоугольное, с одной поверхностью.бокового среза; н —• то же, с двумя поверхностями бокового среза; о ** прямоугольное полусвободное; л свободное прямоугольное. ром грани режущего клина образуют с направлением резания в профиле углы больше я/2, но меньше я, а в плане режущая кромка составляет прямой угол с направлением резания. В отдельных случаях по технологическим требованиям к машине целесообразнее применять косоугольное резание с отделением стружки, когда режущие кромки образуют в плане острый угол с направлением резания (рис. 4). Угол между передней гранью ножа и поверхностью среза называется углом резания (б), а угол между задней гранью ножа и поверхностью среза —.задним углом резания. В зависимости от положения режущего инструмента в грунтовом массиве основными разновидностями процесса резания (рив. 5) являются блокированное и полусвободное. Сопротивление грунтов резанию зависит, в первую очередь, от их крепости. Но значительное влияние на сопротивление резанию и вообще на эффективность машины оказывают геометрические условия процесса: ширина и толщина среза, угол резания, степень затупления и износа режущего инструмента, взаимное расположение и ориентация режущего инструмента. Одна из наиболее существенных особенностей процесса резания грунтов заключается в пространственности взаимодействия с ними режущего инструмента. Она проявляется в образовании прорези характерного трапециевидного сечения во время блокированного резания, в разных по величине и природе сопротивлениях грунта разрушению в различных зонах грунтового массива перед ножом и в неодинаковых зависимостях силы резания от ширины и толщины среза. Рис. 6. Схема поперечного сечения прорези (справа показаны контуры прорези для ряда грунтов): h —• ширина среза; ft —■ толщина среза (глубина резания); ft, глубина расширяющейся части проре-зи; ipaciu ” расширение прорези; у — угол наклон а боковой поверхности прорези.
В процессе блокированного резания грунт разрушается в пределах прорези, ширина которой на поверхности массива больше ширины ножа (рис. 6). На некоторой глубине hlt которая меньше глубины резания, прорезь расширяется; ее боковые поверхности образуют некоторый угол у g поверхностью массива. Зависимость силы резания от ширины среза имеет характер линейной функции (рис. 7, а). Зависимость силы резания от толщины среза Рис. 8. Зависимость энергоемкости блокированного резания грунтов от глубины резания.
Рис. 7. Силовые зависимости процесса блокированного резания грунтов: а —I зависимость силы резания от ширины среза; о то же, от глубины резания. (глубины резания) — ускоренно возрастающая функция (рис. 7, б). Различие этих зависимостей отображает различие в величине и природе сопротивлений грунта в разных частях зоны разрушения перед ножом. Грунт разрушается в результате развития в нем сложного напряженного состояния, причем процесс разрушения грунта перед лобовой гранью ножа, в боковых расширениях прорези и возле боковых ребер ножа у дна прорези протекает по-разному. Сопротивление грунта разрушению в боковых расширениях прорези, отнесенное к единице площади их сечений, в 2—4 раза меньше, чем сопротивление перед лобовой гранью ножа, отнесенное к единице площади сечения среза. Такого рода закономерности процесса сохраняются до некоторого предела соотношения между толщиной и шириной среза, соответствующего критической глубине резания, после чего зависимость силы резания.от толщины среза становится линейной, а зависимость от ширины среза приобретает сложный характер. Это происходит потому, что после достижения критической глубины резания прекращается рост боковых расширений прорези. Дальнейшее увеличение глубины резания сопровождается образованием грунтового нароста на нижней части ножа, которым грунт оттесняется в стороны от образующейся прорези. Критической глубине резания соответствует наименьшая энергоемкость резания — величина, измеряемая отношением энергии, израсходованной на резание, к объему грунта, отделившемуся от массива (рис. 8). Опыты показали, что для большинства грунтов при обычных углах резания критической глубине резания соответствует определенное отношение глубины резания к ширине среза: h/b = 2-~i. Ртизы Рис. 9: Характер зависимости дополнительной силы резания, расходуемой на преодоление сопротивлений площадке износа, от глубины резания.
Отмеченные особенности процесса, объединенные общим понятием пространственности взаимодействия ножа с грунтом, указывают на один из основных способов управления им: режущей части землеройной машины следует придавать такие форму и размеры, чтобы большая часть грунта разрушалась так, как в боковых расширениях прорези, т. е, чтобы площадь поперечного сечения среза перед лобовой гранью ножа была минимальной. В процессе резания грунтов большое влияние на сопротивление грунта оказывает затупление и износ режущего инструмента. Затупление и площадка износа — наиболее характерные изменения формы ножей и зубьев в процессе резания грунтов. Площадка, или криволинейная поверхность, износа по задней грани режущего клина образуется обычно под отрицательным углом к траектории резания, величина которого достигает 7—10°. Затупление режущего инструмента от; встречи с твердыми включениями в грунт характеризуется радиусом' окружности, описывающей затупленную часть ножа или зуба в. про-, филе. Дополнительные сопротивления грунта, вызываемые площадкой-износа или затуплением ножа либо зуба, могут даже преобладать в сопротивлении резанию. Допускаемый на практике износ режущего инструмента может вызвать увеличение силы резания ножами или ковшами со сплошной режущей кромкой на 90—220%, а ковшами с зубьями — на 60—100%, и следовательно, повышение затрат энергии по сравнению с условиями резания острыми ножами или зубьями. Площадка износа вызывает сопротивление даже при нулевой глубине резания. Опыты показали, что влияние износа и затупления можно учитывать, определяя дополнительные силы резания для преодоления сопротивлений площадке износа или затуплению. Эти силы зависят от тол-: щины среза. Касательная к траектории сила (Япл.изн) замедленно возрастает с увеличением толщины среза h и не равна нулю при нулевой глубине резания (Р0) (рис. 9). Поэтому, накладываясь на силу для преодоления основных сопротивлений ножу, она вызывает большое увеличение суммарной силы резания и существенно изменяет нормальную силу резания. Вместе с тем затупление или износ режущего инструмента так влияет на удельную силу и энергоемкость резания, что делает их убывающей функцией толщины среза. Значительная зависимость сопротивления резанию от износа и затупления вызывает необходимость придавать режущему инструменту такие размеры, чтобы длина режущих кромок была минимальной в допускаемых пределах. В расчетах при определении нагрузки на землеройные машины следует обязательно предусматривать износ режущей части машины, а при конструировании — повышение износостойкости режущего инструмента. При эксплуатации нельзя допускать чрезмерного износа и затупления режущего инструмента, необходимо своевременно его восстанавливать или заменять. в
Существенная особенность процесса резания грунтов заключается также в колебаниях сопротивления резанию. Даже при неизменных размерах среза и постоянном угле резания сопротивление резанию изменяется соответственно характеру образования стружки (рис. 10). Рис. 10. Колебания силы резания при отделении грунтовой стружки: а — сливной; б — ступенчатой; в — элементной; г отрыва.
Сопротивление грунта резанию достигает наибольшего значения перед отделением элемента стружки, после чего падает до минимума. Амплитуда таких колебаний неодинакова у разных грунтов. Она возрастает с увеличением хрупкости грунта, достигая 0,8—0,9 максимального значения для замерзших глинистых и полускальных грунтов. Для незамерзших глинистых грунтов естественной влажности она составляет 0,2—0,5 максимальной величины. ' Вследствие колебания сил сопротивления резанию расчет рабочего оборудования на прочность ведут по максимальным значениям сил сопротивления, а расчет работы и мощности — по средним. Особенностью процесса резания грунтов является также вариация сил сопротивления. Даже при одинаковых положениях ножа силы сопротивления резанию оказываются неодинаковыми, колеблясь вокруг некоторой средней величины. Вариация сопротивлений происходит из-за непостоянства прочностных свойств грунтов. Исследования показали, что коэффициент вариации сопротивления резанию для большинства глинистых грунтов равен 0,15—0,3. В связи со значительной величиной вариации ее необходимо учитывать в расчетах нагрузок на машины, используя соответствующие методы теории вероятностей. Исследования показали, что силы резания значительно зависят от угла резания. Увеличение угла резания от 40 до 60°, как и чрезмерное уменьшение его (менее 30°), сопровождается ростом сопротивления грунта. Поэтому с учетом требований к прочности и износостойкости режущего инструмента; а также обеспечения достаточной величины заднего угла резания оптимальные углы резания равны 30—40°, Помимо названных особенностей, процесс резания грунтов отличается также интенсивным контактным взаимодействием режущего инструмента с грунтом, включая трение и липкость, зависимостью сил резания от скорости, взаимодействием простых ножей, составляющих сложные, налипанием грунта на режущем инструменте. § 5. РАСЧЕТ СИЛ РЕЗАНИЯ Сопротивление резанию ножом или ковшом землеройной машины складывается из сопротивлений, зависящих от площади поперечного сечения среза и от режущего периметра. При этом в пределах площади поперечного сечения среза они распределяются неравномерно, что должно приниматься во внимание в расчетах нагрузок на землеройные машины и при конструировании их режущих частей. Рис. И. Зоны действия составляющих силы резания острым ножом.
Предложено несколько способов расчета сил резания, основные из которых разработаны профессорами А. Н. Зелениным, А. М. Холодовым, Д. И. Федоровым, В. И. Балов-невым, М. И. Гальпериным, В. Д. Абезгаузом. Эти способы составляют специальную область теории машин для земляных работ и являются предметом особого изучения. Остановимся на способе расчета сил резания грунтов, предложенном Киевским инженерно-строительным институтом и основанном на принципе раздельного учета влияния на силы резания основных факторов процесса резания. Силу резания простым острым ножом предлагается считать зависящей от трех основных геометрических факторов: ширины среза, толщины среза (глубины резания) и угла резания. Взаимодействие ножа с грунтом имеет пространственный характер. Всю силу блокированного резания рассматриваем как сумму трех составляющих (рис. 11): а) силы для преодоления сопротивления грунта передней гранью ножа Рсв, пропорциональной площади сечения прорези перед передней гранью ножа и зависящей от угла резания и крепости грунта; б)    силы для преодоления сопротивлений грунта разрушению в боковых расширениях прорези Рвок, пропорциональной площади этих частей прорези, зависящей от крепости грунта и не зависящей от угла резания и ширины среза; в)    силы для преодоления сопротивлений грунта ср'езу боковыми ребрами ножа у дна прорези Рбок.ср, пропорциональной толщине среза, зависящей от крепости грунта и не зависящей от ширины среза и угла резания. Вся сила резания простым острым ножом Р — РСВ Ч" Рбок ~f” Рбок.ср-    (17) Составляющие силы резания определяют по формулам Рсв = Рсв^св;    (18) Ябок =3 РбокР'бок» ^бок.ср “ Рбок.ср^бок.ср» где рсв и рбок — удельные силы разрушения грунта соответственно в средней части и в боковых расширениях прорези; FCB и F6ок — площади средней и боковых частей поперечного сечения прорези; /бок.ср — удельная сила среза грунта боковыми ребрами ножа; L6oK.cp — суммарная длина линий среза грунта боковыми ребрами ножа. Площадь FCB равна произведению ширины среза на его толщину: FCB = bh.    . (21) Площадь F<sok определяется с учетом того, что расширение прорези начинается на глубине hlt которая меньше толщины среза: fti = k&uJi,    (22) где &бок — коэффициент глубины расширяющейся части прорези {k6oK = = 0,8 -т- 0,95) [9], [10]. Считая боковые стороны сечения расширяющейся части прорези прямолинейными и обозначая угол их наклона у, площадь можно определить по формуле ^бок = кбок№ ctg у.    (23) Длина L60K.cp определяется выражением Рбок.ср = 2h(l —&бок)-    (24) Подставив эти значения в выражения (19) и (20), получим Рбок — Рбок&бок ctg yh2; ^Рбок.ср = 2рбОК.Ср (1 ^Сок) h. Если обозначить ~2~ Рбок^бок ctg У = /Пбок;    (25) Рбок.ср (1 ^бок) ^ /^бок.ср    (26) и выразить удельную силу рсв произведением тсвф, где /псв — удельная сила резания для преодоления сопротивлений грунта передней гранью ножа при угле резания 45°, а <р — коэффициент, учитывающий влияние угла резания (табл. 7), то силы Рсв» Рбок и Рбок.св можно представить р авенствами Рсв === (рШсъЫц Рбок == 2/ЯбокЛ^» Рбок.ср — 2tJlCoK.cph. Тогда вся сила блокированного резания простым острым ножом Р (b, h, 6) = (ftricbbh + 2/Ибок/г2 + 2/Пбок.срЛ,    (27) Таблица 7. Зависимость коэффициента <р от угла резания Угол резания, град. Коэффициент ф для грунтов Угол резания, град. Коэффициент ф для грунтов пластичных глинистых слоистых при резании вдоль слоев песчано-глинистых, малопластичных пластичных глинистых слоистых при резании вдоль слоев песчано-глинистых, малопластичных где /Лбок и /Пбок.ер — коэффициенты, характеризующие удельную силу для разрушения грунта в боковых расширениях прорези и для преодоления сопротивлений грунта срезу боковыми ребрами ножа. Если резание полусвободное, когда прорезь расширяется только по -одну сторону ножа, то второй и третий члены формулы (27) уменьшаются вдвое. Влияние пространственности процесса резания грунтов может быть т значительным. Для отдельно взятого ножа с углом резания 45° оно характеризуется данными табл. 8, в которой коэффициент т)пр равен отношению суммы сил Рб0к и Рбок.ср к силе Рсв. По формуле (27) определяют среднемаксимальные силы резания, соответствующие моменту отделения элемента стружки, которые с учетом вариации их значений служат основанием для расчета рабочего органа машины на прочность. Расход энергии на резание грунта рассчитывают по средней за время процесса силе резания, которая определяется по среднемаксимальной ее величине для острого ножа и коэффициенту энергоемкости резания, равному 0,5—0,6 для замерзших глинистых и полускальнкх грунтов и 0,8—0,95 для пластичных глин. Отношение средней силы резания Рсред к площади поперечного сечения прорези Fcp есть средняя удельная сила резания, численно равная энергоемкости резания: Рсред “ Рсред/^ср,    (28) Рсред — К(Р СВ ~h Рбок Ч~ Рбок.ср)-Коэффициент энергоемкости k9 вводится только для сил резания; острым ножом. Дополнительная сила резания, прикладываемая к ножу с площадкой износа или затуплением, пропорциональна длине режущей кромки при каждой толщине среза: Рпл.изн (зат) == Рпллзн (зат)^пл.изн (зат)>
Таблица 8. Коэффициент т)пр для глин и суглинков
среза,
Коэффициент т)пр при ширине среза, см
где ^пл.изн (зат) — удельная сила для преодоления сопротивления грунта площадке износа или затуплению ножа, приходящаяся на единицу длины режущей кромки; £Пл.изн(зат)— длина затупленной или изношенной режущей кромки (при блокированном резании простым ножом она равна ширине среза).
Удельная сила рпл.изн(зат) (на основании опытных данных) описывается следующей функцией толщины среза h (рис. 9):
Рпл.изн(зат) — Ро Ч~ Русл д ^ »    (30)
где р0 — дополнительная удельная сила при нулевой глубине резания; Русл — разность между предельным значением дополнительной силы резания для данного грунта и ее значением при нулевой глубине резания; Лусл — глубина резания, соответствующая дополнительной силе резания.
Сила резания простым ножом с площадкой износа или затуплением
Р — Рсв Ч" Рбок Ч- Рбок.ср 4* Р пл.изн (зат)-Средняя сила резания ножом с площадкой износа или затуплением
Рсред = kb (Р Р пл.изн (зат)) Ч~ Р пл.изн (зат)»
тогда средняя удельная сила резания
Рсред — [М^св Ч" Рбок 4“ Рбок. ср) Ч" Р пл.изн (зат)]/Рср»
где Fcр — площадь поперечного сечения среза.
Изложенная схема расчета относится к простому ножу. Но режущая •часть ковша или почти всякого другого рабочего органа землеройной машины имеет, как правило, значительно более сложную форму: в ней сочетаются простые ножи, в том числе зубья, элементы режущего ко-
Рис. 12. Профили ножей, отделяющих стружку: а — острого; б — с площадкой износа; в — затупленного.
зырька, подрезающие ножи, рыхлители и т. п. Поэтому для определения сил резания рабочий орган реальной машины необходимо рассматривать как некоторый сложный нож, состоящий из простых яожей, взаимодействующих между собой. Взаимодействие простых j    . ножей, входящих в состав слож
ного ножа, учитывается по величинам совмещения зон разрушения грунта каждым составляющим ножом в отдельности (рис. 13). Принято, что допущение о пропорциональности составляющих сил резания площадям и линейным размерам сечения среза справедливо не только для простых, но и для сложных ножей. Зоны разрушения грунта ножами, составляющими сложный нож, имеют ту же форму, что и при разрушении простыми ножами. Это допущение, подтвержденное опытами, позволяет рас- Рис. 13. Пример взаимодействия зубьев на козырьке ковша (заштрихована совмещающаяся часть бокового расширения прорези для зуба).
считывать и анализировать силы резания сложными ножами и ковшами практически любой формы. Сила резания сложным ножом п    п Р ~ ^ /?св(.рсв£- Рбок ^ F()0K. /=1 £=1 п    п Рбок.ср ^ ^бок.ср( + ^ Рпл.изк(зат)^пл .изн(зат)^> (=1 i=l (31)
тде F,
^-бок.
св^> г6oKj, ^пл,изн (зат)^>
ср.
Среза; Рсв^, Рбок> Рбок.ср, Рпл.изн (зат)£-
частные площади и длины линии - частные удельные силы резания.
При этом Р пл.изн (зат)( — Ро, 4* Русл; ^ ^
Средняя за время процесса сила резания сложным ножом
Для расчетов по приведенным формулам необходимо знать шесть параметров сопротивления резанию данного грунта: три параметра сопротивления острому ножу (тсв, тб0к и тб0к.ср) и три параметра сопротивления площадке износа или затуплению ножа (р0, русл, /гусл). Способ расчета является, по существу, интерполяцией опытных данных применительно к форме, размерам и условиям использования рабочего органа землеройной машины. Исследования показали, что для расчетов, не требующих повышенной точности, определять силы резания можно проще, пользуясь только одним параметром сопротивления грунта — тсв. Вместо остальных параметров следует пользоваться значениями отношений Рбок    ^тбок
— Л бок»
Тогда формула (31) для определения силы резания сложным ножом примет вид
Р — К    ^бок.ср^ 4-
п
По этой формуле получают приблизительные результаты расчета в связи с тем, что коэффициенты т)бон и Лбок.ср изменяются в сравнительно широких пределах. По данным И. А. Шемета, исследовавшем характеристики сопротивлений резанию свыше 50 разных типов грунтов, ■Пбок = 0,23, а Лбок.ср = 13. Коэффициент г]пл.ИзЯ (зах) для площадок износа разной ширины и затуплений разного радиуса принимают по опытным данным (табл. 9). Коэффициент Шсв находят по результатам полевых или лабораторных испытаний грунта. Для ориентировочного определения крепости грунтов, области применения проектируемой землеройной машины, а также сил резания можно использовать классификацию грунтов по параметру /ясв = Рсв45 (табл. 10), так как по своей природе Глубина резания, см Чзат/Г ’'пл.изн/0 Глубина резания, см Чзат/' Чпл.изн/0 Таблица 10. Классификация грунтов по параметру тсв (среднемаксимальному удельному сопротивлению свободному срезу при угле резания 45°) гория грун-~ Грунт тСВ< 10—1 МПа 10—1 МПа °сж> 10—1 МПа Весьма слабый: пески, супеси, легкие суглинки без включений, а также сыпучие и мелкокусковые материалы, не обладающие сцеплением (гравий и щебень в штабелях и т. п.) Слабый: суглинки без включений в состоянии среднего увлажнения, легкие глины средней и повышенной влажности 0,75—1,5 2,38—4,76 Средней крепости: плотные суглинки при малом увлажнении, тяжелые суглинки С включением гравия и гальки, глины средней плотности, слабые аргиллиты и алевролиты, слабосцементированные марганцевая и фосфоритовые руды 1,5—3,75 4,76—11,9 Повышенной крепости: алевролиты и аргиллиты средней крепости, слабые песчаники на глинистом цементе, слабые мергели и опоки, мел при повышенном увлажнении, плотная спондиловая глина, кембрийская глина, слабые бурые угли, марганцевые и фосфоритовые руды пониженной крепости 3,75—7,5 41,9—23,8 Крепкий: плотные карбонатные глины, ма-лоувлажненный мел, слабые известняки-ракушечники,' бурые угли пониженной крепости, взорванная скальная порода, разрабатываемая одноковшовым экскаватором при размерах кусков до 0,3—0,4 ширины ковша, замерзший влажный песок, марганцевые и фосфоритовые руды средней крепости 23,8—47,6 гория Грунт тсв, 10—1 МПа 10-“! МПа 10—1 МПа Весьма крепкий: известняки-ракушечники 47,6—71,4 средней крепости, весьма плотные карбонатные глины, слабые песчаники, мел с включением более твердых пород, мергель, бурые угли средней крепости, марганцевая руда повышенной крепости, замерзший мокрый песок, суглинок или легкая глина при температуре до минус 3° С Очень крепкий: более плотные и крепкие 71,4—95,2 модификации грунтов предыдущих категорий, а также замерзшие глинистые группы II и III категорий при температуре до минус 6° С Предельно крепкий для разработки реза 95,2—142,8 нием землеройными машинами: еще более крепкие модификации грунтов VI категории,- замерзшие глинистые грунты при температуре до минус 20° С параметр тсв является некоторым обобщенным показателем сопротивления грунта сдвигу, сжатию и трению при разрушении способом резания острым ножом с углом резания 45°. Подтверждением этого может служить корреляционная связь тсв с показателями сцепления грунта с и предельного сопротивления сжатию осж, найденная И. А. Шеметом: тов = 0,66с и тов = 0,21аож. В табл. 10 категории грунтов характеризуются этим показателем. Сила резания — это касательная к траектории ножа составляющая полной силы резания. Нормальная составляющая полной силы резания (нормальная сила резания) для простого ножа определяется по касательной составляющей, углу резания 8, углу наклона площадки износа и углу трения грунта о нож (см. рис. 12, б): N = (РСв + Рбок + рбок.ор) ctg (5 -f- (Д.) — РП4.ИЗН (зат) ctg (6,+и), (37) где [х — угол трения грунта о нож. Из формулы (37) следует, что для затупленного или изношенного ножа результирующая нормальная сила может иметь разные значения и направления, а потому и отношение нормальной силы к силе резания может быть неодинаковым. Возможно уравновешивание нормальных сил, возникающих от сопротивления грунта передней грани ножа и площадке износа, что делает нож «плавающим». Для сложных ножей результирующая нормальная сила резания определяется как сумма проекций частных нормальных сил (для каждого составляющего ножа) на спрямляющую плоскость траектории рабочего органа машины (рис. 14): N = cosa;,    (38) где щ — угол, образуемый нормальной силой (для t-ro составляющего ножа) с соприкасающейся плоскостью к траектории рабочего органа. Нормальная сила резания сложным ножом N = S Рсв/св,. ctg (5; + ц) COS а, + Ахж £ Рбок X I
х ctg (Ь{ + р) cos щ + Рбок.ср Yi ^бок.ср, (S( + fx) COS а( У Рпл.изн(эат)4-^'пл.изн(зат)^ Ctg (6/ 4" fx) COS Сfy, (39)
;=i Рис. 14. Схема к определению нормальной и боковой сил резания сложным ножом.
Фг^сВ< ctg (б- + N = mc
+ [х) COS а,- + + TJ60K £ F6oKl ctg (б,- -f 4~ м) COS Щ 4" ^1бок.ср V ^бок.ср^ X (=1 X ctg (Sf 4- fx) cos at — — г1пл.изн(зат)^( ^пл.изн (зат)(. X i=l x ctg (б£ 4- [X) cos щ . (40) Боковая сила резания, которую необходимо прикладывать к рабочему органу машины при несимметричном срезе грунта, T — "£iNi sma(.    (41) Схема на рис. 14 иллюстрирует процесс резания грунта ковшами, движущимися по пространственной траектории и срезающими грунт только одной из боковых сторон козырька. Поэтому необходимо прикладывать три ортогональных составляющих полной силы резания — Р, N и Т. Сопротивление грунта резанию машинами с ковшовыми и отвальными рабочими органами является лишь частью всего рабочего сопротивления машине (сопротивления копанию). Для расчета остальных сопротивлений копанию, в том числе сил для преодоления сопротивлений призмы волочения и сил для преодоления сопротивлений заполнению ковша или продвижению стружки сквозь призму волочения, предложены соответствующие методы расчета [8], [9]. Но для практических целей могут быть использованы эмпирические данные о соотношениях средней силы копания и средней силы резания. В результате исследований установлена корреляционная связь средней удельной силы копания и ее составляющей со средней удельной силой резания [8], [9]. Линейный характер этих связей позволил выразить среднюю удельную силу копания следующим образом: Ркоп.ср = РкОП„ 4" (1 &) Рор»    (42) где ркоп, — удельная сила копания для условного грунта с нулевым сопротивлением резанию; рср — средняя удельная сила резания; k — безразмерный коэффициент. На основании опытных данных Н. Г. Домбровского следует, что для экскаваторов-лопат ркОПо составляет (с точностью практических расчетов) 0,025 МПа, для драглайнов — 0,06. Коэффициент k для экскаваторов-лопат равен 0,08, для драглайнов — 0,33. Согласно этим данным, отношение средней удельной силы резания к средней удельной силе копания, обозначаемое коэффициентом kpe3, может быть выражено так: kpe3 ^ 1 + k + Ркоп/^ср '    ^ С учетом численных значений k и рКОпа для экскаваторов-лопат для драглайнов *>— ■ <45> Для роторных экскаваторов большой мощности согласно опытным данным /грез = РСР'$ЗТ56' •    (46> Итак, с увеличением крепости грунта удельное значение сопротивлений резанию в сопротивлении копанию возрастает. § 6. УСЛОВИЯ РАЗРУШЕНИЯ ГРУНТОВ ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ В производственных условиях возникает необходимость разрабатывать грунт не только при различных положениях и формах рабочего инструмента, но и с большими рабочими скоростями. При динамическом воздействии на грунт существенное значение приобретают силы инерции деформируемых и разрушаемых масс грунта. Скорость рабочего инструмента становится соизмеримой или даже превышает скорости распространения деформаций и разрушений в грунтовом массиве. В условиях приложения нагрузки с большой скоростью предлагается рассматривать процесс разрушения грунтов на основании принципов теории распространения волн деформаций в грунтах [4]. При статическом нагружении грунтов рабочими органами землеройных машин объем разрушенного грунта определяется глубиной внедрения рабочего органа и величиной отделяемой стружки. При динамическом нагружении объем разрушенного материала зависит «е только от глубины внедрения инструмента (так как'зона разрушения значительно превышает зону внедрения), но и от импульса, вызывающего остаточные деформации, и от условий его прохождения в грунте. При мгновенной нагрузке на массив частицы грунта приходят в движение и передают этот импульс близлежащим частицам. Частицы грунта связаны между собой силам# взаимодействия, зависящими от его физико-механических свойств. При равновесном нена-груженном состоянии массива силы взаимодействия соприкасающихся частиц уравновешены. Если при внешнем воздействии частица грунта выходит из состояния равновесия, она, согласно законам механики, действует на соседние частицы, те, в свою очередь, на последующие и т. д., то есть в грунте распространяется импульс смешения. В результате последовательного колебания частиц импульс распространяется постепенно, а не мгновенно. Процесс распространения (волна) деформаций в грунте является следствием не только ударных нагрузок, но и увеличения скорости движения рабочих органов землеройных машин, и чередования сколов грунта. В условиях работы рассматриваемых машин, особенно при увеличении скорости рабочего воздействия, грунты в большей степени проявляют хрупкие свойства, и области пластического деформирования сокращаются. Динамический характер разрушения грунта современными машинами рассматриваемого класса может преобладать над статическим, а перспективы увеличения скорости машин очевидны. Характеристики динамического разрушения грунтов отличаются от статических. Н. А. Цытович указывает на необходимость при изучении динамики грунтов рассматривать волны деформаций двух типов: поперечные и продольные. Волны распространяются в невозмущенном грунте с определенными скоростями, зависящими от характеристик грунта. В зависимости от вида деформаций возникают волны различных типов. Если движение описывается только объемным сжатием и растяжением, волна называется продольной, если деформациями сдвига — поперечной. При динамическом нагружении возникает необходимость учитывать необратимость (конечность) деформаций. Необратимые явления обусловливаются превращением кинетической энергии динамического нагружения в остаточные искажения структуры грунта и затем рассеивания этой энергии в форме тепла. Механизм развития остаточных деформаций в значительной мере объясняется теорией распространения волн. Характеристикой условий прочности связных грунтов могут служить показатели сопротивления грунтов сдвигу: сцепление с и коэффициент внутреннего трения /т. Хотя эти показатели являются лишь математическими параметрами прямолинейной огибающей кругов предельных напряжений (см. рис. 1), они достаточно полно характеризуют процесс разрушения при небольших изменениях давлений. Кроме главного нормального напряжения в грунте по направлению распространения волны а, для описания процесса одноосного сжатия необходимо знать главное боковое напряжение о, действующее в направлении, перпендикулярном к направлению распространения волны. Отношение главного бокового а и главного нормального о напряжений называют коэффициентом бокового давления. Для многих грунтов в большом интервале давлений это — величина постоянная. Из условия прочности связных грунтов (11) и выражения для коэффициента бокового давления R = а/о можно получить следующие зависимости: для связных грунтов о (1 — R)~ sin ф (а + о + 2c/fr), а — аг = (а + <т + 2c/fr) sin cp; (47)
для несвязных грунтов И
а (1 — R) = sin ф (а 4- а). Зависимость (47) согласно выражению (12) может быть представлена в таком виде: а — а = (сг 4- а -f- 2 k2a/fT) sin ф. (49)
При рассмотрении процесса динамического разрушения грунт характеризуют также пористостью п, влажностью W, удельным весом ур, удельным весом скелета грунта ус, массовой плотностью In = yjg. Согласно общим положениям механики грунтов [20] покажем связь между этими показателями: (51)
7о = (1-п)(1+1Р/100)7г; или, обозначив для упрощения (52)
п1—\—я; п2 = 1 4- №/100; п3 = 1/g, получим (53)
То =    Л> = Тг«1«2«з. а зависимость (16) примет вид где / — текущее значение /0. Возникновение на некоторых поверхностях, перемещающихся в грунте, разрывов непрерывности напряжений и скорости наглядно иллюстрируется на диаграмме (рис. 15) динамического сжатия грунта по Н. А. Цытовичу [20]. В грунте при Р > Р2 волна деформаций является ударной; при Р < Р2 она распадается на упругую и пластическую. Здесь ОАВС — линия нагрузки; BD, CD1—линии разгрузки. Появление разрывов возможно и в случае разгрузки, если предел прочности материала на разрыв значительно меньше, чем на сжатие, что весьма существенно для скальных и мерзлых грунтов. В уравнениях движения частиц грунта при динамическом нагружении, в которых напряженное состояние грунта, скорость его частиц-и другие параметры зависят от пространственной координаты х и времени t, зависимость од (ед) представлена в соответствии с экспериментальным соотношением указанных параметров. Этому положению от-; вечает модель упругопластической среды (см. рис. 1 и 15). Движение рабочего органа со скоростью и при динамическом нагружении [3] характеризуется следующими параметрами: глубиной Ь его внедрения в грунт за время одного; удара t (или полупериода колебаний для динамического рабочего органа) либо за время от начала внедрения до скола грунта при непрерывном внедрении; образованием впереди рабочего органа сжатой зоны грунта длиной /, фронт которой движется со скоростью и; изменением массовой плотности грунта 1г в этой зоне; упругой и пластической деформацией б* грунта в этой зоне, ее частичным или полным разрушением, зависящим от условий нагружения и свойств грунта. Рис. 15, Условия возникновения ударных волн по Цытовичу Н. А.
На единицу поверхности 5 разрушаемого массива грунта прихо*! дится определенное количество энергии Еуц, передаваемой от рабочего; органа грунту. Эта энергия, согласно закону сохранения энергии [20|,; [211, затрачивается на упругую деформацию грунта (его сжатие) и на , образование новых поверхностей грунта (его разрушение): Еуц = Еаж -f- Ер,    (55) - или с учетом параметров нагружения и характеристик грунтов, определяемых по формулам (10), (11), (53), £уД = SlI^2/2 + SI j /(ejtfe. Так как длина сжатой зоны грунта в процессе нагружения I ■■ — (и — v) /Уд, где /Уд — продолжительность ударного импульса, последнее выражение приобретает вид 2Em — S(u — v) /уД/гЕ>2 + 25 (и — о) tyj^s,    (56) где, согласно диаграмме а =* / (е) (см. рис. 1 и 15), Б1 j ©S =* j / (е) йв = -j- адед. Решив уравнение (56) с учетом последнего выражения, определим продолжительность ударного импульса (ул плоским или коническим ра* -бочим органом, угол заострения которого характеризуется коэффициентом ka (при а = 180° ка =1): ле / у» + 2®s = «д — удельное сопротивление грунта динамическому разрушению, зависящее от скорости приложения нагрузки, свойств грунта и вида диаграммы о = / (е). При незначительном изменении значений I в процессе разрушения удельное сопротивление для связных грунтов, согласно выражениям (10), (11), (52), (53), К = ТгЛ,ПгИ3У2 + СГдбд, или с учетом выражений (7), (12) и (51) t, = T,(l—+    (59) или, с учетом уравнения (50), ь — VrP2 I СЧ “я— а ~Г и 1 К = (fc2V,,w2 + С8д§).    (60) Последние зависимости позволяют при заданных характеристиках грунтов найти их сопротивление динамическому нагружению Р и глубину внедрения 6. Из выражения (57), учитывая, что скорость внедрения v ^ и, следует, что глубина внедрения рабочего органа в грунт за время /уд * - 2£уАу    (61) а сила сопротивления (62)
§ 7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В ГРУНТАХ ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ Применение закона сохранения энергии для описания процесса разрушения грунтов позволяет перейти к определению напряжений в грунтовом массиве как в упругопластической среде, характеризуемой нелинейной зависимостью между напряжениями и деформациями. Поведение такой среды под действием динамических нагрузок согласно уравнениям (50) — (54) и закону сохранения массы для связных грунтов описывается уравнением -§~ (7J?n1n.2n3) + и (V4n,n9) + 7rrtxn2n3 ~ -f + v ~ угПхП2п3 = 0; для горных пород д! . д! , т ди . и г г, '5r + uiF + /-ar + v-/==°; согласно закону сохранения количества движения ди    , ди    до v . - _ . . . -gf- Тг«1«2«з + « -fo ЪПхЧПь — ~fc----(р + а + 2c/fT) sin <р = О, ди г , ди т Iда    а — а ^ -W1 +и    —v -7- = °’ согласно закону, описывающему состояние грунта при динамическом нагружении (динамической диаграмме «напряжения — деформации»), од = /(8д);    (65)? из соотношения предельных нормальных и касательных напряжений, возникающих в грунте под воздействием динамических нагрузок [см. формулы (11), (12)], а = Ra,    (66) где v — постоянная, зависящая от формы волны. Если при малых упругих колебаниях волна распространяется со скоростью звука, то при развитии остаточных деформаций, связанны^ с разрушением, распространение возмущений (ударных волн) в грунт “ может происходить как со сверхзвуковой, так и с дозвуковой скорое тями. Это непосредственно вытекает из условий, отражающих закон-сохранения массы, количества движения и энергии на фронте волны| Таким образом, состояние грунта под действием динамически ' нагрузок описывается уравнениями (63) — (66). В наиболее удобно 1 для исследования форме эта система имеет вид: dl , dl    т ди v , . dt + дх U + дх    0; , ди , . dv да . v ,. 'ir + '“T = Tr + -r«-^^ *-/(+=£■ ЮО): В случае появления конечных деформаций, т. е. при разрушений грунта, эти уравнения нелинейны. Последнее обстоятельство, а так* же нелинейный характер уравнения состояния, учитывающего физико-механические характеристики грунта [см. формулы (11), (12)], существенно усложняют их математическое исследование. В связш с этим используется математическая модель, описывающая одномер- \ яые движения грунта и характеризующая основные свойства мехя низма развития остаточных деформаций    свойства меха- Ус'ловия на фронте волны движущейся со скоростью и в нсвочмх? щенныи грунт с плотностью 10, можно записать в виде [4]    У' W8j = lOOuj; (68)
100 — 8i miovi/в^ /(sx)J соответ- (69) Рис. 16. Зависимость о = / (е): а — и < с ; б — и > с ; в — и = с .
где их, h, е, ственно скорость, плотность и относительная деформация грунта за фронтом; f — функциональная зависимость, отвечающая динамической диаграмме сжатия. В дальнейшем значения о и е рассматриваются только как динамические характеристики состояния грунта. Из системы уравнений (68) можно получить следующее выражение скорости фронта волны:
Если диаграмма динамического сжатия имеет вид, показанный на рис. 16, а, то из формулы (69) следует, что скорость волны и = = IOOS'aj//0 меньше скорости звука с3 = ]/" 100£д//0,'где Ел = tg а, £д, = tg av Аналогично для грунтов с диаграммой динамического сжатия, показанной на рис. 16, б, имеем и > с3. Для диаграммы динамического сжатия, которая изображена на рис. 16, в, при gj ^ ер скорость фронта и равна скорости звука: 1 Г 100f (ер) _ -ж Г ЮОар Г    / |£р    \ Iо8р Исходя из указанных положений, рассмотрим случай, когда начальное сечение S в грунте движется со скоростью v в течение времени t*, различая три характерные формы волн деформаций: плоскую (V = 0), цилиндрическую (v = 1) и сферическую (v = 2). Рис. 17. Схема распространения напряжения В грунте при действии плоского рабочего органа.
Фронт ударной волны в момент времени t Положение поверхности S в момент времени t о Начальное положение поверхности S (при t=0)
(70)
100
где Ix, vx, — значения функций / (x, /), v (x, t), a (x, t) сзади фронта ударной волны. Условия (68) обеспечивают однозначную разрешимость системы (67) для области Rp = {х; v0t ^ х ^ ut). Таким образом, схема воздействия на грунт в случае, например, плоской волны может быть изображена в виде, показанном на рис. 17. Система уравнений (67) и условия (68) определяют функции / (х, t), а (х, t), v (х, t) и величины 1Ъ vu и. Рассмотрим задачу интегрирования системы (67), если плотность грунта в сжатой зоне изменяется незначительно, т. е. когда в системе уравнений (67) величины ^ малы при конечных скоростях v. Этот случай интересен, поскольку малым изменениям плотности / могут соответствовать значительные изменения напряжений о. Систему уравнений (70) с учетом условий (68) можно записать в следующем виде: «=100и1/е1; 1г = ЮО/0/( 100 — ej;    (71) lOOVi/б! = f{ ех).
Для этого случая граничным условием является v (х, t) = v0 при х = v0t, 0 t ^ t*, т. е. vg = v (v0i, i*) при 0<* < t*. Причина выбора именно этого граничного условия заключается в том, что для рассматриваемого случая удается связать хорошо управляемые характеристики рабочего органа машины (его массу и скорость) е формированием напряженного состояния в грунте. Появление разрывов непрерывности в распределении напряжений, скоростей, плотности грунта, т. е. возникновение разрушений, требует выполнения на фронте волны, движущейся в сторону невозмущенного грунта, условий динамической совместности (68). Представим эти условия через соотношения параметров Ilt vu Oj:
и (/0 /г)--/jUx; — «Dj/j = — ot — Ijv]-, О, = /
/t~/o
Скорость vx зависит от v0 и ех. Найдем эту зависимость из системы уравнений (67), которые описывают движение грунта между поверхностью S и фронтом волны, т. е. в сжатой зоне.
Если в сжатой зоне плотность грунта почти постоянна (хотя и может отличаться от /0), первое из дифференциальных уравнений системы можно записать в виде Решая это уравнение с граничным услдвием в начальном сечении v0 -= v (х = v0t, t*) при t > 0, найдем, что v (х, t) = у0 (v0t/x)v . Поэтому (72)
Vi = V0 (vju)'v, откуда, учитывая выражения (71), получим искомую зависимость между vx, v0 и V    V ^ = ^+‘/100 .V+1
2V
/0у02еГ+1 /100V+1 = /{ег). (73) Из уравнения (73) можно найти относительную деформацию ех сзади фронта волны, а затем по формулам (71), (72) вычислить последовательно величины и, /х. Уравнение (73) для определения относительной деформации позволяет наглядно представить его решение как абсциссу точки пересече- 2v    V—1 ния графика функции I0vo в v+l /100 v+‘ с динамической диаграммой сжатия грунта, которая может приниматься по любой модели грунта (рис. 18). Учитывая, что I (х, t) 1г и v (х, t) = v0 (v0t/x)v, из второго уравнения системы (67) получим следующее дифференциальное уравнение: R)o~*g(x, t), (74)
Решение уравнения (74) имеет вид а (х, t) - ***-« j    dx + с (t) (76)
Здесь функция с (t) определяется из граничного условия на фронте волны (jj = a (ut, t*) при t > 0, где сгх »=■ / (ех) и ех — решение уравнения (73). Выполнив в уравнении (75) необходимые преобразования и определив из указанных граничных условий на фронте волны функцию с (t), получим а (х, t) = а (t/xf 1 + b (t/x)2v + с (t/x)v(l R)
— au1 v — bu 2v
Решения системы (67) имеют вид v (х, t) = v0 (v0t/xf; a (x, 0 « a (t/x?-1 + b (it/xf + с (tlx)w~R) (77)
Получены также решения [4] для высокоскоростного нагружения при значительном изменении плотности грунтов в зоне сжатия. Процесс динамического разрушения прочных грунтов характеризуется также образованием некоторого объема разрушения при быстром снятии нагрузки с поверхности массива. Продолжительность разрыва сжатой зоны грунта [4] при снятии нагрузки для приближенного расчета где WL = а± V ?г+ &2; sin фх = AjV А\ -j- В\; ar=VEA.p/IQ\ k = = fTR/(2l) — коэффициент, учитывающий условия внутреннего трения грунта; /т — коэффициент внутреннего трения грунта; R — коэффициент бокового давления; у1( Аъ В1 — коэффициенты, характеризующие условия разрушения 14]; £д.р — модуль деформации грунта, при разрыве. Глубина зоны разрушения при быстром снятии нагрузки (/2 = ut2) для большинства грунтов незначительна и при инженерных расчетах может не учитываться. Скорость прохождения волны в грунте и определяют из выражения
где ^ = 0,2 0,48 — коэффициент поперечной деформации грунтов- Приведенные выражения позволяют определять сопротивление грунтов при динамическом нагружении в зависимости от условий нагружения грунта и его физико-механических характеристик. § 8. СПОСОБЫ РАЗРАБОТКИ МЕРЗЛЫХ ПЕСЧАНО-ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ Основными способами разработки мерзлых грунтов являются оттаивание, предохранение от промерзания, рыхление взрывами, механические способы разработки. Применение того или иного способа зависит от конкретных условий работы и наличия оборудования. Оттаивание мерзлых грунтов может производиться с помощью электротока, пара или воды и огневым способом. Подготовка грунтов к экскавации с помощью электротока осуществляется поверхностными или глубинными электродами, электро- нагревателями накаливания, устанавливаемыми в тепляках, и токами высокой частоты. Энергоемкость этого способа составляет приблизительно 1,2 • 108 Дж/м8, стоимость разработки 1 м3 грунта — 2,1 руб. [9J. Пароводяное и огневое оттаивание производят поверхностными нагревательными батареями (в тепляках), циркуляционными иглами, сжиганием топлива открытым способом или в тепляках. Энергоемкость этих методов достаточно высока и составляет (2 ч- 6) • 108 Дж/м3, стоимость разработки 1 м3 грунта 1,8—2,5 руб. [9]. Перечисленные способы требуют относительно сложных подготовительных работ и достаточно громоздкого оборудования. Наиболее целесообразно применять оттаивание при прокладке внутригородских и внутриквартальных траншей, при отсутствии механизмов для разработки мерзлых грунтов, в стесненных условиях, для производства планировочных работ и работ вблизи различных подземных коммуникаций. В среднем на оттаивание 1 м3 грунта требуется 2—3 кг условного топлива. Однако продолжительность оттаивания грунта достигает в некоторых случаях двух и более суток. Например, оттаивание водяными и паровыми иглами происходит в течение 40— 100 ч при энергоемкости 32—56 кВт • ч/м3 (4—7кг условного топлива) [9]. Для устранения этих недостатков следует проводить неполное оттаивание грунта, утеплять нагревательные приборы и участки оттаиваемого грунта, автоматизировать сам процесс, строго выдерживать заданный режим работы приборов и др. Наиболее эффективным является оттаивание грунта до температуры минус 0,5—1° С. При этом затрачивается тепла в 2—2,2 раза меньше, чем при полном оттаивании (до температуры +5° С), грунт достаточно легко разрабатывается экскаваторами. Предохранение от промерзания грунтов производят следующими способами: пахотой с последующим боронованием; предварительно глубоким рыхлением и перелопачиванием грунта; вспахиванием (на глубину 20—30 см) с последующим боронованием и предохранением слоем снега; утеплением опилками, листьями и пр. Стоимость работ составляет 0,25—0,35 руб. за 1 м3 грунта [9]. Однако эти способы имеют ограниченное применение, так как при промерзании грунта более чем на 1 м они неэффективны, а также в связи с тем, что вспашка должна проводиться за 3—5 месяцев до начала производства работ. В местах с довольно мягкими климатическими условиями и при достаточно длительных сроках строительства эти способы не применяются. Наиболее перспективными и экономически целесообразными из описанных способов являются предварительное (до начала холодов) перекрестное вспахивание на глубину 25 см с последующим боронованием и снегозадержанием и предварительное глубокое рыхление грунта на глубину 1—1,3 м. Рыхление взрывом является наиболее производительным способом при производстве больших объемов земляных работ. Различают два основных способа ведения взрывных работ: шпуровой (открытыми и закрытыми мелкошпуровыми зарядами и взрывами котловых зарядов) и минный (взрывами горизонтальных рукавов или минных колодцев). Для бурения шпуров и добычи блоков в карьерах штучного камня применяют термическое бурение. Буровзрывные работы проводятся при больших объемах работ станками вращательного и ударного бурения. Стоимость работ этими способами составляет 0,35—0,4 руб. за 1 м3 Они требуют значительного расхода рабочей силы на бурение шпуров и большого количества дорогостоящих взрывчатых веществ. Кроме того, при рыхлении грунта взрывом мелкие куски подвергаются вторичному смерзанию. Наиболее прогрессивным оборудованием для производства взрывных работ являются автоматизированные трехшпиндельные буровые станки. Механические способы разработки грунта в зимнее время находят очень широкое применение. В среднем энергоемкость разработки 1 м8 грунта механическими способами составляет 10е Дж. При разрушении ударом используются подвесные клин-молоты или дизель-молоты на экскаваторах или тракторах, отбойные молотки и гидропружинные рыхлители. Стоимость разработки 1 м3 грунта этим способом составляет в среднем 0,8—1 руб. Клин-молоты, подвешенные на решетчатую стрелу экскаватора, получили наибольшее применение благодаря простоте конструкции. В то же время их использование связано с большими дополнительными расходами и быстрым износом экскаватора в результате ьозникновения значительных динамических нагрузок. Применение клин-молотов возможно на открытых площадках, вдали от сооружений и различных коммуникаций — трубопроводов, линий связи, электропередач и т. д. Разработка грунтов резанием с помощью дисковых фрез, баровых рабочих органов и траншейными экскаваторами является наиболее приемлемым способом для производства небольших объемов работ, а также для прокладывания различных траншей. Стоимость разработки 1 м8 грунта этим способом составляет в среднем 0,3—0,4 руб. При рытье котлованов и траншей в плотных грунтах VI—VIII групп крепости успешно применяются одно- или многобаровые машины на базе тракторов мощностью 80—180 кВт. Проходка траншей в скальных грунтах производится баровой машиной совместно с экскаваторами, вместимость ковшей которых 0,65 или 0,35 м3. Баровая машина устанавливается вдоль намеченной трассы и включается бар. При достижении угла наклона бара к поверхности земли около 85° положение бара фиксируется и включается механизм передвижения трактора. Скорость трактора выбирается в зависимости от крепости грунта. При достижении конечной точки трассы трактор останавливают и выключают бар. Далее трактор разворачивается, подходит к противоположной бровке траншеи и бар включается вновь. Образованные таким образом два пропила позволяют, в зависимости от крепости породы, разрушать оставшуюся часть экскаватором. В случае более твердых пород следует сделать еще несколько пропилов, параллельных первому, чтобы улучшить условия работы экскаватора. Для производства небольших объемов работ или для прокладки траншей под различные коммуникации достаточно эффективны двух-баровые машины, при использовании которых на предварительно размеченной площадке прорезают продольные и поперечные щели, разрушая в дальнейшем мерзлые массивы одноковшовыми экскаваторами. Простота и надежность конструкции, а также небольшая стоимость разработки позволяют рекомендовать навесные рыхлители для мерзлых грунтов при больших объемах работ как одно из наиболее эффективных средств. Основную операцию по разрушению грунта должны выполнять рыхлители на базе мощных тягачей типа Д-652А или на базе трактора ДЭТ-250 с глубиной рыхления за один проход не менее 0,4—0,5 м. Следует отметить, что наиболее целесообразной схемой послойной разработки грунтов рыхлителями являются повторные проходы машин. Вспомогательные операции—снегоочистка, уборка разрыхленного грунта—выполняются бульдозерами (смонтированными вместе с рыхлителями) при погрузке в отвал, или одноковшовыми экскаваторами при погрузке грунта на транспортные средства. Метод послойного рыхления позволяет производить непрерывное разрушение грунта, сопровождающееся деформациями его отрыва, и является более производительным, чем разрушение грунта вертикальными циклическими рыхлителями ударного действия. Вибрационные и виброударные способы являются эффективным средством разработки прочных и мерзлых грунтов. Однако большинство созданных машин, работающих по принципу виброударного и вибрационного разрушения, носят опытный характер. Одноковшовые экскаваторы для непосредственной разработки прочных грунтов не применяются в связи со значительным сопротивлением таких грунтов резанию. Использование этих машин возможно только после предварительного рыхления прочных грунтов рыхлителями, взрывом или скалорезными агрегатами. В последнем случае извлечение скальных глыб производится экскаватором, оборудованным обратной лопатой. Базовыми машинами для сменного рабочего оборудования служат экскаваторы. Сменное оборудование состоит из направляющей штанги, дизель-молота и клина. Ширина рыхления — 1,3 м, масса сменного оборудования — 3,7 т. Для большей эффективности применяют клинья с малыми углами заострения и статической пригрузкой, направленной в сторону забоя. Технология производства работ при использовании вертикальных рыхлителей ударного действия следующая. На предварительно размеченную площадку устанавливают машину так, чтобы рабочие органы находились на поверхности грунта. Далее ударные грузы поднимаются лебедкой по направляющим штангам, падают на рабочие органы и производят удар. При скорости трактора или экскаватора около 15 м/ч клинья заглубляются, и грунт разрушается на глубину около 1 м при ширине полосы разрушения до 3 м за один проход. Подъем и опускание грузов происходит во время движения транспортных средств непрерывно при помощи конечных выключателей и постоянно замкнутых фрикционных муфт. В последнее время в качестве сменного оборудования к экскаваторам применяют ковши с активными зубьями и активной кромкой. Ударные зубья имеют привод от мощных пневмомолотов, установленных в передней стенке ковша. Каждый пневмомолот развивает энергию удара до 800 Дж. Виброударные зубья имеют привод от вибромолота, передающего удары на ударник. Итак, для разработки мерзлых грунтов следует использовать следующие машины: при больших объемах работ (большие котлованы, планировка значительных площадей, устройство дорог) — прицепные и навесные рыхлители; для специальных работ (траншеи большой протяженности, оросительные системы и др.) — роторные и цепные траншейные экскаваторы; для устройства узких траншей, линий водопроводных и электрических систем — баровые, фрезерные и траншейные цепные экскаваторы; для производства небольших объемов работ (котлованы под свайные фундаменты и различные опоры столбов и колонн, блоки мерзлого грунта) — баровые машины и ударные рыхлители; применение клин-молотов на экскаваторах малопроизводительно и должно использоваться только в виде исключения. Мелкие котлованы целесообразно разрабатывать машинами ударного действия — экскаватором с навесным оборудованием, дизель-молотом или ударным рыхлителем типа ВР-25 и МНС-2 с последующей погрузкой грунта одноковшовым экскаватором на транспортные средства или в отвал. § 9. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ В СОЗДАНИИ НОВЫХ МАШИН ДЛЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ Огромные объемы земляных работ в нашей стране определяют увеличение парка землеройных машин и его качественное улучшение. В ближайшие годы годовой объем земляных работ увеличится до 18— 20 млрд. м3. Для их выполнения создаются новые машины увеличенной единичной мощности, рациональные системы машин, машины для производства работ на мерзлоте, под водой, в горных условиях, под землей и совершенствуются существующие. Строительство Байкало-Амурской магистрали способствовало резкой интенсификации работ в этом направлении. Созданы рациональные схемы статических и динамических рыхлителей, новые формы рабочих органов, износостойкие материалы, морозоустойчивые приводы. Освоение шельфа Мирового океана ставит перед учеными и инженерами задачи по созданию специальных машин, например, для планировки подводных площадей, создания подводных траншей в грунтах различной крепости, прокладки линий коммуникаций с учетом охраны окружающей среды. Первые шаги в этом направлении сделаны: созданы подводные планировщики, рыхлители, кабелеукладчики и другие подводные землеройные машины ГЗ], [4]. Поле для поиска и создания рациональных конструкций машин, работающих в этих условиях, безгранично. Особенно важна при эксплуатации таких машин автоматизация их работы и управления. Весьма важной и специфичной областью использования специальных машин является создание различных сооружений в горных условиях и под землей. Машины для создания тоннелей, дорог, откосов находят все большее применение, требуют безопасных условий эксплуатации, а значит — дистанционного управления и автоматизации. Сооружение громадной сети нефте- и газопроводов, водопроводов от опреснительных станций на побережьи морей и океанов, переброска стоков северных рек в южные районы страны ставят новые, необычные по своим масштабам задачи перед создателями землеройных машин. В этом направлении необходим поиск не только новых видов высокопроизводительных машин, но и новых методов разработки грунтов [9], [131. Получают распространение специальные землеройные машины, основанные на взрывных, гидравлических, химических способах разрушения грунтов и пород. Рост производительности машин, совершенствование рабочих органов, увеличение рабочих скоростей машин вызывает необходимость более глубоких исследований не только самих землеройных машин, но и процессов разрушения грунтов и пород с учетом динамических явлений и изменения свойств разрабатываемых сред в процессе их разрушения. Глава 2. МАШИНЫ ДЛЯ РЫХЛЕНИЯ ГРУНТОВ § 10. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Рыхлителями называются машины с навесным или прицепным рабочим органом в виде зуба или системы зубьев для послойного разрушения грунта и отделения его кусков от массива. Рыхлители применяют, как правило, для разработки грунтов столь прочных, что они не могут разрабатываться непосредственно землеройными или землеройно-транспортными машинами общего назначения с полной производительностью. Предварительное рыхление таких грунтов дает выигрыш в производительности, который покрывает затраты на рыхление. Этим определяется отнесение рыхлителей к категории машин для специальных земляных работ как машин для понижения трудности разработки грунтов. По способу передвижения различают рыхлители прицепные и навесные; по ходовому оборудованию — гусеничные и колесные; по механизму управления — гидравлические и канатные; по мощности тягача — легкие, средние, большой мощности и сверхмощные. К легким относятся рыхлители с мощностью двигателя до 55 кВт и тяговым усилием до 135 кН, к средним — с мощностью от 55 до 110 кВт и тяговым усилием от 135 до 200 кН, к рыхлителям большой мощности — с мощностью тягача от 110 до 220 кВт и тяговым усилием от 200 до 300 кН, к сверхмощным — с мощностью более 220 кВт и тяговым усилием более 300 кН. Практика свидетельствует о безусловной целесообразности применения рыхлителей возможно большей единичной мощности при больших объемах работ. В условиях вечномерзлых и полускальных грунтов особенно эффективны рыхлители с мощностью двигателя тягача до 400—500 кВт. . По принципу воздействия на среду рыхлители делят на статические (или тяговые) и динамические. К статическим относят те модели машин, которые воздействуют на грунт только в результате перемещения тягача, причем скорость рабочего перемещения тягача не превышает 2—3 м/с. К динамическим относят рыхлители, у которых рабочему органу сообщаются усилия и скорости автономно от тягача или при его отсутствии, причем скорости рабочего воздействия достигают нескольких десятков метров в секунду. § 11. РЫХЛИТЕЛИ ТЯГОВЫЕ Прицепной тяговый рыхлитель имеет тяговую раму 8 (рис. 19, а), в передней части-которой находится сцепное устройство 9 для ее соединения с тягачом 11. В задней части рамы помещается балласт 4. К ней же прикреплены зубья 5 со съемными наконечниками 6. Тяговая рама шарнирно соединена с подъемной рамой 3, опирающейся на полуоси колес 7. Для перевода в транспортное положение или уменьшения глубины рыхления тяговая рама с зубьями поднимается лебедкой 1 и полиспастом 2. Опускание тяговой рамы и заглубление в грунт зубьев происходит под действием сил тяжести при расторможенной лебедке, приводимой в действие от вала отбора мощности 10. Навесные тяговые рыхлители (рис. 19, б—е) состоят из базовой машины 1, рабочего органа 3, подвески и системы управления 2. Система управления, как правило, гидравлическая. Рама 4 рыхлителя, в которой крепятся зубья, поднимается и опускается с помощью гидроцилиндров. Существуют следующие типы подвесок рыхлителей: трехточечная (рис. 19, б) с креплением внутренней рамы 4 к корпусу заднего моста трактора; трехточечная (рис. 19, б) с креплением охватывающей рамы 4 рыхлителя к рамам гусеничных тележек или корпусу базового трактора; четырехточечная, или параллелограммная (рис. 19, г), с креплением внутренней рамы к заднему мосту базовой машины; четырехточечная (рис. 19, д) с креплением внутренней рамы 4 к заднему мосту посредством дополнительной охватывающей рамы 5; трехточечная с охватывающей универсальной рамой 6 (рис. 19, е). При креплении рамы рыхлителя к рамам гусеничных тележек или к корпусу базового трактора угол резания зубьев при изменении глубины рыхления изменяется незначительно, корпус заднего моста нагружен мало, усилия в штоках гидроцилиндров сравнительно небольшие. Охватывающая рама обеспечивает хорошую устойчивость рыхли-, теля в поперечном направлении и может быть легко, приспособлена для работы с толкачом. Однако подвеска с такой рамой имеет большую массу, несколько затрудняется проход грунта под поперечиной рамы и поэтому используется только в специальных рыхлителях. При трехточечном креплении рамы рыхлителя к корпусу заднего моста угол резания зубьев изменяется больше, поперечная устойчивость машины снижается, нагрузки в шарнирах и штоках гидроцилиндров возрастают. Но благодаря простоте конструкции и сравнительно небольшой массе такой тип подвески применяется на рыхлителях всех классов. Рис. 19. Схемы тяговых рыхлителей.
При параллелограм-мной подвеске рамы рыхлителя угол резания не зависит от заглубления зубьев, длина поперечной балки рамы может быть меньше ширины трактора. Однако эта конструкция имеет большее число шарниров, меньшую поперечную устойчивость и большую нагрузку на корпус заднего моста, чем при других типах подвесок. Рабочий орган рыхлителя оснащается одним или несколькими зубьями, крепление которых может быть жестким и шарнирным. Шарнирное крепление зубьев применяется при рыхлении скальных трещиноватых грунтов, а также грунтов с включением крупных глыб и валунов. На специальных рыхлителях с большой глубиной рыхления чаще применяется жесткое крепление зубьев. По форме различают зубья изогнутые, прямые и полуизогнутые. Изогнутые зубья (рис. 20, а) применяют для рыхления грунтов на глубину до 0,8 м Они могут использоваться на скальных грунтах пластно-го залегания; при заглублении зубьев возникают силы, способствующие отрыву пласта от массива. Прямые зубья (рис. 20, б) успешно .применяют для рыхления различных грунтов. Полуизогнутые зубья (рис. 20, в) позволяют уменьшить усилие заглубления при большом угле резания. На рис. 20, г—ж показаны специальные конструкции зубьев. При пяти зубьях у легких рыхлителей их шаг составляет обычно 0,3—0,5 м, при трех — 0,8—1 м. У средних рыхлителей шаг зубьев равен 0,9—1,3 м, у мощных и сверхмощных — 1,4 м. д — с
Рис. 20. Зубья рыхлителей: а — изогнутые; 6 — прямые; в — полуизогнутые; г — с подпятником; е — со вставным наконечником; ж — с отогнутым концом.


коронкой;
Расстояние от зубьев до гусеницы должно быть больше длины зоны разрушения грунта в направлении движения рыхлителя и обычно равно 1,5—2 глубинам рыхления. ’Угол резания зубьев чаще всего составляет 30—45°, а при разработке грунтов с крупными включениями несколько больше. *8)
Длина зубьев должна быть больше максимальной глубины рыхления на 0,1—0,3 м, чтобы рама рыхлителя свободно проходила над поверхностью разрыхленного грунта. Высота подъема зубьев легких рыхлителей над уровнем поверхности грунта должна достигать 0,3—0,5 м, средних — 0,6—0,7 м и мощных — более 0,7 м. Необходимый Рис. 21. Навесное оборудование к трактору для разрушения слоя промерзшего грунта.
2 3    задний угол въезда в тран- спортном положении при ^    этом должен быть не менее Замерзший грунт , Незамерзший грунт
20—30°. Число зубьев и их шаг зависят от назначения рыхлителя, глубины рыхления, допускаемого размера кусков грунта и его физикомеханических свойств. Киевским инженерностроительным институтом совместно с Челябинским заводом дорожных машин им. Колющенко предложена новая конструкция наконечника зуба рыхлителя. Ее особенность заключается в возможности расчленения зоны разрушения грунта на части, что способствует снижению динамичности нагрузки на зуб. Для разрушения грунтов с небольшой глубиной промерзания (до 0,4—0,5 м) можно использовать рыхлители, работающие по наименее энергоемкой схеме разрушения — способу отрыва. При этом грунт разрушается при вертикальном движении ножа под мерзлым слоем. Лабораторией новых землеройных машин Киевского инженерностроительного института совместно со специальным строительно-монтажным управлением треста «Строймеханизация» Главкиевгорстроя разработано навесное оборудование (рыхлитель) к трактору Т-108, разрушающее грунт методом отрыва. Оно состоит (рис. 21) из рамы 2, на которой жестко закреплен рабочий орган — нож 1, заглубляющийся в грунт под действием гидроцилиндра 5, вращаясь вокруг шарнира 4 вместе с рамой 2. После заглубления ножа 1 на глубину разрушения h до незамерзшего грунта трактор перемещается на расстояние I, зависящее от величины скола, и, с помощью четырех гидроцилиндров 3 поднимается вверх, разрушая на своем пути грунт. Далее нож опускается, трактор снова перемещается на расстояние I и цикл повторяется. Развиваемое усилие отрыва зависит от мощности установленных гидроцилиндров и гидронасоса. В дан-ной конструкции на тракторе Т-108 усилие отрыва достигает 300 кН, что позволяет разрабатывать грунты на глубину до 70—80 см. Технические характеристики ряда моделей рыхлителей, выпускаемых в СССР, приведены в табл. 11. Технологическая особенность рабочего процесса тягового рыхлителя заключается в непрерывности действия. В общем случае его производительность определяется произведением площади поперечного сечения слоя разрыхленного грунта на среднюю рабочую скорость передвижения. Вместе с тем производительность рыхлителей зависит от конкретных технологических й организационных условий производства работ. В зависимости от назначения рыхления грунта режим рыхления может быть разным. При подготовке забоя следует стремиться, чтобы глубина рыхления была возможно большей (но не превышала критическую), а энергоемкость процесса — минимальной. При подготовке забоя для скрепера размер кусков грунта не должен превышать ширины щели между ножом и заслонкой ковша. Прорезание щелей в массиве для облегчения экскаваторной разработки ведется на предельной глубине, допускаемой тяговым усилием машины. Техническая производительность рыхлителя техн где ВП — полезная ширина захвата грунта рыхлителем; hn — полезная толщина слоя разрыхленного грунта; vp — рабочая скорость рыхлителя; knep = 0,75 — коэффициент перекрытия зон рыхления; kx — коэффициент характера проходов (при параллельных проходах = 1, при перекрестных проходах kx = 2); п — число проходов. Вп = В — 2hi ctg у; К = Кtg v, (82)
Примечание. В числителе приведены данные для рыхлителя в обычном исполнении, в знаменателе — для рыхлителя со специальными флюгерами, работающего с толкачом.
*
CL И « sr si
с*
я
С §
Н
ЕС
а
О
Таблица 11. Технические характеристики навесных рыхлителей
V S
Cf
<
fit
н
со
3
*1
*5.
та | К * X » •чв
0)
Я W У И (0 и 2 <8 * о !& н >>
2 о с^д
"5 й* si 2 3 gCQ So * 9    У у с >. К
» о <и я о. д s»gg§ 5 s«i
я s Д * У S. ^ я (. Ччою
и *
а а н *
« I* §* -S ^5 *8 ч я о5 8 “ R S I
Ч d ч « со Си £ ^ Си и я см са о С ч
Н 2    Q х 5    S О СГ    0> a U    ~ Н *
со ю 2 S3
3 ^ Н gl <У л сг £
£ £ 42 Р
Сё

I 2 та о ! СО 3 СО Lg-м 2
х з о А ш о ЕГ Ь
™ - J « Й ч НОй «ч X о и и as з а д Л1 S g, О Ч 4* о я ^ я с а и к | £ s ^ S § S 5 ! * §&ё8° л £ с £551
о о и а: +1
&S 2 § * -н
ч О О кою 1Л t--
о    4> 03    О о    в 1=    £ QJ    О иза
К Й а) о Е a
05 33
Н
где В — суммарная ширина резания грунта зубьями рыхлителя; — глубина расширяющейся части прорези; а — промежуток между зубьями; у — угол наклона боковых расширений прорези. Эксплуатационную производительность рыхлителя определяют с учетом коэффициента использования машины во времени. Производительность будет тем выше, чем больше площадь поперечного сечения разрыхленного слоя грунта и рабочая скорость машины и чем меньше потери времени на непроизводительные операции. § 12. РАСЧЕТ СИЛ СОПРОТИВЛЕНИЯ Общий расчет рыхлителя состоит из выбора исходных для расчета параметров и предварительного определения размеров и массы машины, вычисления основной рабочей нагрузки (расчетных сил сопротивления рыхлению), тягового расчета, определения необходимой мощности тягача, расчета усилий в гидроцилиндрах для заглубления и выглубле-ния рабочего органа, проверки устойчивости. Первый этап расчета — предварительное определение размеров и массы машины — производится на основании анализа характеристик машин-аналогов, справочных данных, эмпирических формул, опыта проектирования рыхлителей с учетом их дальнейшего развития [2], [9]. В зависимости от указанных в задании на проектирование технологических условий принимается число зубьев и расстояние между ними, вычисляется глубина рыхления, соответствующая заданной производительности, назначаются размеры и форма зубьев (их длина, ширина, вылет, углы резания и заострения). Второй этап расчета — определение основной рабочей нагрузки. Поскольку основой взаимодействия с грунтом зубьев рыхлителя является процесс резания, главной рабочей нагрузкой является сопротивление грунта резанию. Сопротивление грунта резанию можно рассчитать по методике, изложенной в § 5. Пример I 1. Определить силу резания фосфоритового конгломерата навесным однозубым рыхлителем. Ширина зуба рыхлителя (рис. 22) равна 11 см, угол резания—45°, глубина резания — до 60 см, наибольшее тяговое усилие Wгаах = 180 кН, ширина площадки износа — 50 мм, угол наклона ее к траектории <5t = 10° Основные характеристики грунта; тсв = 0,92 МПа; /ПбОК =0,118 МПа; тйок ср = = 34,03 кН/м; £бок = 0,8; k3 = 0,72; |х = 38°. Критическая глубина резания грун-та hKр равна трехкратной ширине среза (36); сопротивление площадке износа шириной 25 мм под углом к траектории 6j = 10° характеризуется следующими значениями параметров; р0 = 7,475 МПа; русл = .443,6 кН/м; hycjl = 21,9 см. . Рыхлитель может работать при глубине резания меньше и больше критической. При глубине резания меньше критической к зубу должна быть приложена среднемаксимальная сила резания ^ рс, "Ь Рбок “Ь ^бок ,ср ^ПЛ.ИЗН “ mCBbh " + 2тбокЛ2 + 2m6o«.cph + Рил -ИЗВ^* При глубине резания больше критической Р = mCBbh + 2m6oK/i2 + 2тбокср
По приведенным формулам вычислена сила Р в пределах глубины резания от 5 до 60 см (табл. 12, графы 6, 11 и 12). В вычислениях принято, что удельная сила преодоления сопротивления грунта площадке износа пропорциональна ширине площадки износа. Значения средней вилы и энергоемкости резания приведены в графах 13—15 табл. 12. Результаты расчета позволяют сделать вывод, что при остром зубе усилием тягача можно обеспечить рыхление грунта на глубину до 55 см (Р < U7max). При площадке износа шириной 50 мм усилия тягача достаточно для рыхления на глубину только
35 см. Если площадка износа достигает ширины 100 мм, возможная глубина рыхления 20 см. Из табл. 12 следует, что наименьшая энергоемкость рыхления достигается при глубине резания около 35 см. С такой глубиной резания рыхлитель может работать при площадке износа шириной до Б0 мм, т, е. при условии сохранения паспортного усилия на крюке тягача. Однако вычисления нормальной силы резания показывают, что при площадке износа шириной 50 мм и глубине резания 35 см действует сила отпора 58,05 кН (табл. 13), уменьшающая сцепной вес машины. Чтобы уравновесить силу отпора, рыхлитель необходимо пригрузить. Пример 2. Определить требуемую силу и мощность резания мергеля трехзубным рыхлителем при первоначальных и последующих проходах (рис. 23). Ширина зуба рыхлителя 90 мм, его шаг 550 мм, угол резания 45°, ширина площадки износа 40 мм, угол наклона к траектории 6Х= 7°, заглубление зубьев h = 30 см. Крепость грунта характеризуется коэффициентом тсв = 0,5 МПа. Расчет ведется ориентировочно на основании отношений РооК/тСв ~ гЬок< Рбок ср/'7гсв = г1бок.ср. Рпл.изн/Чв = Лпл.изн. установленных в результате проведенных испытаний других грунтов. Для расчета необходимы коэффициент глубины расширяющейся части прорези &б0к> средний угол наклона боковых поверхностей прорези у, коэффициент энергоемкости &э, угол трения грунта о сталь ц и коэффициенты удельных сопротивлений грунта резанию ti6ok, г]бок -Ср’ ^ПЛ.ИЗН' Величины fe6oK, у и йэ принимают по данным [8]: = 0,92, у= 29° п k3 — = 0,81 Угол трения грунта о сталь принят равным углу трения тяжелой глины — 16° Коэффициенты Г]^ и Лбок.ср определяют как для плотных грунтов: т)бок да 0,52
*бок
Р=93320Н
Рис. 22. . Силы, рыхлителя.
б % п § | N=30550Н
=108980»
У//-У7&
Р=65480Н -5450Н

, ПЛ/7. изы действующие на зуб
Рис. 23. Схема сечения зоны разрушения грунта: а — при первоначальном проходе рыхлителя; б — при движении зубьев по следам от предшествующих проходов рыхлителя; j — при движении зубьев по гребням на поверхности массива.
(8S) ww 001 = о Hdii ‘BUW
о
со
со
<N
1>г
'Т ^ I SS
со
К cn? со со
ю
со
□ риыечанне. В скобках в шапке табл. 12 и 13 приведены номера формул, по которым вычисляются данные величины.
Таблица 12. Вычисление среднемаксимальной и удельной сил рыхления при заглублении зуба от 5 до 60 см
«С
со"
со
ww os = v

LO    ТО -Ф    to <>i ю о    t-~
<03) (ИИ 001 = = С)НЯ ,H8",If“rf
Г--00 •
(6S) (ии 03 = ■ = V) н«
(жон ijHdi.00) н51 'd
(61) ни ,yi°9d (81) Н* ‘QV (es) Ч- (is) *иэ - (6S) гИЭ ,m9j CN
ю
i\Z) zWO
ю
ю
ю
со
W3 ‘у
Коэффициент г) изн вычисляют при ширине площадки износа а = 40 мм и глубине резания Л = 30 см: т1пл.изн(а=40) = 'Ппл.изн0 = 0,116 ■ 4 = 0,464 « 0,46, где значение т)пл изн принято по табл. 9. Таблица 13. Значения нормальной силы рыхления ^пл.изн> N, кН (37) а = 50 мм а = 100 мм при остром ноже а = 50 мм а — 100 мм Для определения среднемаксимальной касательной силы резания необходимо предварительно найти частные площади сечения и длины срезов грунта. Так как все зубья имеют одинаковые размеры и угол резания, площади и длины линий среза можно суммировать, используя формулу [8]: / я    п    п    п    \ ^ тсв ( Ф ^св, "Ь Чбок S Лзок,. ^бок. ср S ^бок.ср "Ь ’Ппл.изн^1 S ^ПЛ.ИЗН, ) ■ V i=i ‘ i=i. ‘    i=1    i«=i V Результаты расчета каждого из трех заданных случаев (см. рис. 23, а, б, в) приведены в табл. 14. Таблица 14. Расчет трехзубого рыхлителя Расчетная схема р, МПа Рис. 23, а Рис. 23, б Рис. 23, в Для преодоления сопротивлений площадке износа на зубьях в каждом случае требуется усилие Рппмт = тсв<^свЧпл.Изн = °-5 • 10* • 1 • 0,081 • 0,46 = 18,65 кН. Наиболее целесообразным является способ резания, при котором энергоемкость резания наименьшая. Результаты расчета основной рабочей нагрузки служат для составления расчетных схем нагрузок на рыхлитель. Задачей тягового расчета является определение силы тяги, необходимой для преодоления суммарного сопротивления: W = RP + (Gp + RN)(f+i), где Rp и Rn — касательная и нормальная силы сопротивления грунта; Gp — сила тяжести рыхлителя; / — коэффициент основного сопротивления движению рыхлителя; i — уклон площадки. Расчет выполняется для двух состояний режущей части зубьев: острых и предельно изношенных. Большее из полученных усилий должно быть меньше нормального тягового усилия рыхлителя по условию сцепления с поверхностью передвижения. Коэффициент использования силы тяжести машины по сцеплению равен 0,5—0,9.
Усилие в гидроцилиндрах находят из уравнения моментов всех сил, действующих на рабочий орган, относительно точки А на оси вращения рамы рыхлителя (рис. 24, а).
Максимальное статическое усилие выглубления рабочего органа (рис. 24, б) Rb ~ Gp/5//4, где /4 и 1Ъ — плечи сил RB и Gp относительно ребра опрокидывания. Максимальное статическое усилие заглубления рабочего органа (рис. 24, в) Рис. 24. Расчетные схемы рыхлителя: а — основная; б — для определения усилия выглубления; в — то же, заглубления.
р _п I h ~ р l+lt ’ где I — длина опорной поверхности гусениц или расстояние между осями колесного тягача. Устойчивость рыхлителя в рабочем положении обеспечивается при соблюдении условия /3 = (Rph — RnIi)/R < h, где /3 — расстояние от линии действия силы R (где R =■= Gp -f- Rn — результирующая вертикальных реакций грунта на рыхлитель) до центра тяжести рыхлителя. Проверка устойчивости производится в статических условиях и при движении. Критерием устойчивости, является предельный угол наклона площадки, при котором сохраняется равновесие машины. Расчет выполняется для наиболее неблагоприятных положений рыхлителя. Перспективы совершенствования рыхлителей связаны с увеличением единичной мощности машин, автоматизацией управления, расширением применения гидропривода, увеличением выпуска машин в северном исполнении, созданием рациональных конструкций рабочих органов. к 13. РЫХЛИТЕЛИ ДИНАМИЧЕСКИЕ В зависимости от целей и условий работы рыхлители динамического действия классифицируют по виду привода рабочего органа, по виду перемещения машины и по направлению движения рабочего органа. Независимый привод бывает со свободнопадающим грузом, вибрационным, ударным, скоростным, взрывным, газовым или их сочетанием. Независимый привод рабочих органов (рис. 25, а) наиболее эффективен. Энергия разрушения передается от двигателя (или двигателей) М, рабочего органа непосредственно на сам рабочий орган РО и далее на разрушаемый грунт Г. Рис. 25. Схемы активизации динамических рабочих органов: а — независимая; б —* зависимая.
Эффективность процесса в этом случае не зависит от величины тягового или напорного усилия Т и мощности двигателя машины М. Зависимый привод рабочих органов бывает пружинным, гидравлическим, пневматическим или их сочетанием. Эффективность процесса зависит от силы сопротивления грунта Р. В период, предшествующий сколу грунта, упругий элемент УЭ, например пружина (рис. 25, б), накапливает энергию за счет основного двигателя машины М. Во время скола пружина, разжимаясь, дает дополнительный импульс рабочему органу, передающийся на грунт. Упругий элемент устанавливается обычно между напорным НМ, ходовым ХМ или тяговым ТМ механизмами и рабочим органом. В этом случае усилие разрушения зависит от силы тяги или напора Т машины. Смешанный привод является сочетанием двух первых и позволяет использовать для разрушения как двигатель Mi рабочего органа, так и двигатель М самой машины. По виду перемещения машины с динамическими рабочими органами можно разделить на самоходные, прицепные и полу прицепные. Направление движения рабочего органа может быть вертикальным, воризонтальным, прямолинейным, криволинейным, круговым (рис. 26). Первыми машинами, работающими по принципу ударного разрушения, были клин и шар-баба. Разрушение грунтов такими рабочими Органами происходит за счет кинетической энергии, развиваемой падающим грузом или рабочим органом. Основными недостатками какого метода производства работ являются высокие динамические Нагрузки, возникающие в металлоконструкциях машин, невозможность нанесения повторных ударов на одно и то же место, большой радиус разлета разрушенного грунта, цикличность работы. В дальнейшем была создана серия машин, как прицепных, так и навесных со свободнопадающим рабочим органом (или грузом), перемещающимся в жестких направляющих [9]. К этому классу машин следует отнести механические рыхлители конструкции ВНИИстрой-дормаша, ВНИИземмаша, Куйбышевгидростроя, Главкиевгорстроя, НИИОМСП, Главмосстроя, Саратовского политехнического института, Рис. 26. Схемы направлений движения динамических рабочих органов: aj— вертикальная; 6 — горизонтальная; в — прямолинейная* г — криволинейная;^ — кру* говая; 1 — рабочий орган; 2 — привод рабочего органа; 3 -» базовая машина; 4 — рама рабочего органа. фирмы «Дженерал пневматик» (США) и др. К основным недостаткам таких машин относятся: цикличность работы; вертикальное перемещение рабочего органа; жесткое соединение рабочего органа со всей конструкцией машины, что приводит к появлению нежелательных динамических нагрузок, вредно действующих как на саму конструкцию, так и на обслуживающий персонал. Следующим этапом развития машин с динамическим рабочим органом было создание различных типов навесного и прицепного оборудования, в основном, к экскаваторам и тракторам, работающего по принципу удара, с приводом рабочего органа от различных источников энергии. Траектория движения таких рабочих органов вертикальная или направлена под некоторым углом к поверхности. К этому классу машин следует отнести дизель-молоты с клиньями, выпускаемые Ковровским экскаваторным заводом, конструкции, разработанные под руководством доктора техн. наук проф. М. И. Гальперина, сменное рабочее оборудование к экскаваторам Э-153 и Э-652, навесное оборудование виброударного действия к гусеничным тракторам, разработанное в Уральском политехническом Институте (УПИ-2М, ВР-25), гидропневматические молоты Карагандинского политехнического института и ряд других [11, [5], [93. Рис. 27.. Принципиальные схемы оборудования ударного действия: а — с падающим рабочим органом; б — с забивным рабочим органом при креплении направляющей в двух точках; в — с забивным рабочим органом при креплении .направляющей в одной точке.

Для разрушения весьма прочных и мерзлых грунтов во ВНИИ-стойдормаше, ВНИИземмаше, Новосибирском электротехническом институте, институте горного дела АН СССР, КИСИ, Киевском Строй-дормаше, Карагандинском политехническом институте созданы конструкции динамических рыхлителей, нашедшие достаточно широкое применение в практике производства земляных работ [9J. Большую группу машин представляют различные вибрационные машины с вертикальным или слегка наклонным направлением движения рабочего органа; навесные и прицепные вибр&клинья к гусеничным тракторам Т-140 и Т-100, разработанные в Новосибирском и Московском трестах механизации. Отдельную группу составляют машины, с рабочими органами активного действия с пневмоударным, виброударным, вибрационным и взрывным приводом: ковши активного действия конструкции ЦНИИС Минтрансстроя СССР, ИГД Сибирского отделения. АН СССР, ИГД им. А. А. Скочинского, Свердловского НИИ по строительству, шведской фирмы «Хюмас», американской фирмы «Купер — Стенли»; виброскрепер конструкции института «Укргипроводхоз» и КИСИ; бульдозер конструкции Юго-Западного НИИ (США) и ряда других. Преимуществом таких машин является непрерывность работы, возможность регулировки амплитуды и частоты ударов. Наиболее производительными машинами ударного и виброударного действия являются навесные и прицепные рыхлители послойного рыхления, разработанные во ВНИИстройдормаше, КИСИ, Министерстве связи СССР и ряде других организаций [3], [9], [19]. Эти машины обладают мобильностью, небольшой массой и достаточно высокой производительностью. Траектория движения рабочего органа может изменяться в зависимости от конкретных условий, как и величина возмущающей силы, ход рабочего органа и частота Даров. Возможность использования с этими машинами серийных тракторов средней мощности открыла перспективы их широкого внедрения в производство. Рассмотрим более подробно наиболее распространенные конструкции этих машин. Машины с вертикальной траекторией движения рабочего органа в большинстве случаев являются машинами ударного действия. Они имеют три принципиальные схемы: с падающим рабочим органом и с забиваемым рабочим органом при креплении направляющей в двух или одной точке. Движение падающего рабочего органа машины при его внедрении имеет тенденцию к смещению от вертикали в сторону забоя (на рис. 27, а штриховой линией показаны контуры лунки при последующем ударе). С увеличением глубины внедрения рабочий орган все более отклоняется в сторону открытой стенки забоя. В ряде случаев угол наклона у траектории движения к вертикали достигает 15°. При внедрении на глубину 800—1000 мм горизонтальное смещение составляет около 300 мм. При последующем сбрасывании, падая вертикально, рабочий орган ударяется задней гранью о грунт и, частично деформируя его, отбрасывается в сторону забоя. Значительная часть энергии при этом непроизводительно затрачивается на смятие грунта задней гранью. Кроме того, при отбрасывании рабочего органа в сторону открытой стенки забоя до момента, когда рабочий орган передней гранью встретит грунтовое препятствие, горизонтальная составляющая динамического усилия воспринимается амортизатором и через него — металлоконструкциями рабочего оборудования. ВНИИстройдормашем проводились исследования машин с падающим клином, в результате которых было установлено, что при энергии падающего клина 30—40 кДж динамические усилия в горизонтальном направлении достигают 160—200 кН. Эти усилия воспринимаются направляющей металлоконструкцией и базовой машиной в целом. Следовательно, конструкции машин с рабочим органом, падающим в направляющих, не обеспечивают точного попадания лезвия рабочего органа в то место, откуда он был извлечен. Для достижения точности ' попадания амортизатор можно заменить специальным устройством, обеспечивающим при ударе свободное перемещение направляющей в сторону забоя и фиксирующим достигнутое при подъеме рабочего органа положение для нанесения следующего удара. Недостатком машины этого типа является также необходимость извлечения рабочего органа из грунта после каждого удара. При каждом последующем сбрасывании часть энергии расходуется на повторное создание напряженного состояния грунта, которое было снято при извлечении рабочего органа. Непроизводительные затраты на повторную деформацию» когда для погружения рабочего органа при глубоком рыхлении необходимо большое количество ударов, могут превышать 50% полезного времени. Извлечение рабочего органа из грунта после каждого удара приводит к частым перегрузкам привода подъема рабочего органа, идущим на преодоление сил трения, которые в этом случае в три-четыре раза превышают вес рабочего органа. Машины с падающим в направляющих рабочим органом можно рекомендовать для неглубокого рыхления, когда для разрушения прочного грунта требуется £? малое число ударов. Лучшие показатели соответствуют разрушению ' такими машинами твердых покрытий, поскольку в этом случае рабочий орган при сравнительно малом внедрении обеспечивает хрупкое раз- * рушение среды. Забиваемый рабочий орган при креплении направляющей в. двух точках (рис. 27, б) также может смещаться в сторону забоя. Горизонталь- ’* ному смещению рабочего органа препятствует направляющая, подвер- -гающаяся значительным динамическим нагрузкам, особенно в нижней части. Такие машины, во избежание разрушения направляющей " от динамических нагрузок, целесообразно рассчитывать на малую энергию удара. При креплении направляющей в одной точке (рис. 27, в) рабочий’ орган имеет две степени свободы движения, благодаря чему получает большую возможность перемещаться по собственной траектории. В результате резко снижаются динамические нагрузки, передаваемые на базовую машину, а машины, выполненные по этой схеме, целесообразно ' рассчитывать на большую энергию удара. Ими можно разрабатывать мерзлые грунты высокой прочности. Общим недостатком машин с за- , биваемым рабочим органом являются потери энергии при соударении { бойка и рабочего органа, превышающие иногда 50%.    1 При разрушении прочных грунтов клиновым рабочим;: органом наиболее целесообразно обрушать грунт в сторону ' открытой стенки забоя. В этом случае грунт отделяется от массива крупными глыбами при наименьших энергетических затратах. Важным узлом машины с рабочим органом ударного действия яв ляется рабочий инструмент. При проектировании рабочих органов ударного действия необходимо учитывать, что глубина внедрения рабочего инструмента за один удар зависит не только от свойств грунта, но и от формы рабочего инструмента и площаДи поперечного сечения. Как показали исследования, для разработки вязких грунтов (типа глин) клин должен иметь наименьший угол заострения, а для разра- | ботки других грунтов (например, мерзлого песка) оптимальный угол f заострения равен 1Ь—30°. Первый тип клина режет мерзлую глину, X попутно создавая в ней трещины, второй — колет мерзлый песок. Выбор формы рабочего органа зависит также от величины и направления нагрузок, под действием которых происходит разрушение грун- -та. При разрушении прочных грунтов путем последовательных погру- 4 жений рабочего органа, обеспечивающих большую работу единичного удара, применяются в основном двускосные (симметричные) и односкос-ные клинья. При погружении клинового рабочего органа в грунт на его скошен-' ■* ные поверхности действуют нормальные (расклинивающие) и касательные усилия, величина которых зависит от силы, приложенной к клину при ударе, углов «заострения клина и трения металла о грунт. При малом угле заострения клина сопротивление внедрению его мало, и величины расклинивающих усилий может не хватить для создания пре- дельных разрывающих напряжений в грунте. Большой угол заострения клина увеличивает объем сжимаемого грунта, что вызывает значительный рост энергоемкости разрушения. Исследования процесса разрушения мерзлых грунтов двускосными и односкосными.клиньями показали, что оптимальный угол их заострения г(5 = 30 -f- 35°. На погружение двускосного симметричного клина с углом заострения гр = 30° необходимо затратить работу в 2,5—3 раза большую, чем на погружение в равных условиях клина с углом заострения ф = 7°. Следовательно, в случае приложения к рабочему органу дополнительных нагрузок, обеспечивающих отрыв грунта от массива в сторону забоя, целесообразно применять клин с углом заострения ф = 7-г 10°. При разрушении мерзлых грунтов рабочими органами ударного действия, обеспечивающими сравнительно небольшую работу удара, целесообразно, согласно данным Уральского политехнического института, применять плоские рабочие органы, погружение которых сопровождается значительно меньшими деформациями смятия, чем погружение клиньев. Плоские рабочие органы небольшого поперечного сечения могут нарезать узкие щели без окончательного отделения грунта от массива. Для уменьшения сопротивления по боковым поверхностям плоского рабочего органа его нижняя часть должна быть несколько утолщенной. Рабочие органы ударного действия выполняются обычно в виде одиночного клина пирамидальной формы. Они обеспечивают более концентрированный удар по грунту по сравнению с двугранными клиньями, которые часто выходят из строя вследствие перекоса. Угол заострения клина необходимо выбирать таким, чтобы рабочий орган не защемлялся в грунте, поскольку при подъеме защемленного в грунте клина лебедка испытывает значительные перегрузки и может выйти из строя. Основным недостатком технологии разрушения прочных грунтов путем последовательного погружения клина является цикличность процесса, так как на перестановку рабочего оборудования большинства машин в новое исходное положение расходуется до 50% рабочего времени. Производительность машин цикличного действия зависит от энергоемкости процесса разрушения и числа ударов падающего груза по рабочему органу в единицу времени. Рыхлитель цикличного действия с падающим грузом состоит из жестких направляющих, клинообразного рабочего органа, перемещающегося по этим направляющим, лебедки для подъема рабочего органа и сцепного устройства. Последнее предназначено для автоматического соединения рабочего органа с тросом, наматываемым на барабан лебедки и поднимающим рабочий .орган в верхнее положение (рис. 28). Характеристика рыхлителей приведена в табл. 15. Клиновые рыхлители с забиваемым рабочим органом конструируются на базе тракторов или экскаваторов. В качестве ударников используются дизель-молоты (рис. 29) или свободнопадающие грузы (рис. 30). Таблица 25. Техническая характеристика ударных машин с падающим рабочим органом Наименование показателей МГУ-СПИ-2 Конструкция ЦНИИОМТП Трехклинные рыхлители Конструкция «Куйбышев- гидростроя» Базовая машина Масса клина, т Работа одного удара, кДж Масса навесного оборудова ния, т Число ударов в минуту Глубина рыхления, м Производительность, м8/ч Дизель-молоты как ударники малоэффективны, поскольку их пуск при низких температурах затруднен, они обладают малым КПД, энергия удара у них небольшая. Рыхлители со свободнопадающим грузом работают по принципу ударного-разрушения грунта двигающимися в направляющих груза* Рис. 28. Схема рыхлителя с падающим рабочим органом: 1 •— противовес; 2 — стойка; 3 — тяга; 4 — направляющие; 5 ™ оцеп» ное устройство; 6 клнн; 7 лебедка; 8 ш» трактор. Рис. 31. Схема гидропружинного рыхлителя: а — общий вид; б — гидропружинный ударник; J — трактор МТЗ-З; 2 — поворотная колонка; 3 — стрела; 4, 5 — гидроцилиндры; 6 — гидродвигатель; 7 — ударник; 8 — клин; 9 — цилиндр; 10 — шток; 11 — корпус; 12, 16 — амортизаторы; 13 — тяга; 14 — кольцо; 15 —* направляющая; 17 —* шпилька; 18 — крышка; 19 *- поршень; 29 — цилиндр; 21 — тяга; 22 — гильза; 23 —• кольцо; 24 — переходник. Рис. 29. Схема рыхлителя С-222 с ди зель-молотом на базе экскаватора:
Рис. 30. Схема рыхлителя МНС-2: 1 — лебедка подъема груза; 2 — рама; 3
5 — ударные грузы;.
I — экскаватор; 2 — стрела; 3 — направ-ляющие; 4 — дизель-молот. трактор; 4 — штанги; 6 — клин.
ми. Из этих машин наиболее распространен рыхлитель ДП-23С с двухклинным рабочим органом. Между рабочим органом и грузом установлены амортизаторы в виде металлических пластин с резиновыми листами. Такое устройство позволяет увеличить продолжительность удара, уменьшает шум, предохраняет конструкцию от поломок. Для разработки небольших объемов мерзлых грунтов применяется машина ударного действия МНС-2 на базе трактора Т-100М. Основными узлами машины являются редуктор, приводимый в движение через кулачковую муфту сцепления от коленчатого вала двигателя трактора; двухбарабанная лебедка для подъема и сброса грузов-ударников, перемещающихся по*направляющим с помощью системы полиспастов. Рабочие органы представляют собой асимметричные клинья. Характеристики основных машин с забиваемыми рабочими органами представлены в табл. 16. В последние годы в строительстве широкое применение находят виброударные и частоударные рыхлители. Таблица 16. Технические характеристики рыхлителей с рабочими органами ударного действия Показатели МНС-2 . (ВНИИстройдор- Трубчатый рыхлитель с дизель -молотом (ВНИИстройдор- Трехклинный рыхлитель (трест «Строймеханиза-ция», г. Рига) Трехклинный рыхлитель (трест «Строймеханиза-ция», V. Хабаровск) Рыхлитель .конструкции СПИ Базовая машина Трактор Трактор Экскава Трактор Трактор Экскава Масса ударного груза, т-юогп или экскаватор тор Э-302 тор Э-652
2000—3000
Количество грузов, шт. Высота падения гру
Число ударов в минуту
Работа удара, кДж Глубина рыхления за
один проход, м Производител ьность
техническая, м/ч
К экскаваторам Э-1514 и Э-652 Новосибирским электротехническим институтом и Главзапсибстроем разработано сменное рабочее оборудование с гидропружинными молотами частоударного действия.
Оборудование к экскаватору Э-1514 состоит из ударного механизма и рабочего органа — клина и предназначено для разработки небольших объемов грунта и зачистных работ (рис. 31). При 80 ударах в минуту и глубине рыхления 0,75 м производительность такого сменного оборудования составляет 30—35 м3 в смену.
Другой вид навесного оборудования к экскаватору Э-1514 разработан ВНИИстройдормашем. Исто'чником ударов служит гидромолот двойного действия. В направляющей трубе перемещается цилиндрический ударник, который наносит удары по хвостовику рабочего органа. Последний установлен в направляющей буксе. Автоматическую работу гидромолота обеспечивает распределитель, установленный на верхней части направляющей трубы. При энергии удара 3,5 кДж и 130 ударах в минуту производительность рыхлителя на мерзлоте составляет до 10 м3/ч.
Оборудование к экскаватору Э-652 позволяет получить энергию удара 11 кДж при 21 ударе в минуту.
Рыхлители ударного и частоударного действия выбираются в зависимости от силы сопротивления грунта разрушению и производительности машины.
Для определения динамического сопротивления прочного грунта разрушению следует знать вид динамической диаграммы сжатия Од — f (ед), объемную массу грунта у0, динамический модуль деформации Ея. Для слабых грунтов определяют сцепление грунта с, коэффициент сцепления кг, удельный вес грунта уу, его влажность Wr, динамическую деформацию вд, пористость п, коэффициент внутреннего трения грунта /т.
Кинематическими параметрами машины являются энергия единичного удара Еуа, форма рабочего органа, скорость внедрения рабочего органа и, частота ударов пул.
Производительность машины зависит от рабочей скорости передвижения ор; площади поперечного сечения разрушенной зоны F; шага /2 — расстояния между двумя последовательными ударами для машин цикличного действия; от расстояния 13 между параллельными проходами (для машин цикличного действия); коэффициента использования машины во времени kB; времени цикла ta (для машин цикличного действия).
Производительность машин цикличного действия
(83)
1 3 В' Ц> где h — глубина рыхления. Продолжительность цикла для машин цикличного действия с вертикальным движением рабочего органа выбирается в зависимости от . производительности и технологических условий: -f" t3, где tn — время перемещения машины g одной рабочей стоянки на другую; t3 —продолжительность забивки рабочего органа на заданную глубину рыхления. Производительность машин непрерывного действия где &пер = 0,85 — коэффициент перекрытия зон рыхления; kx— коэффициент характера проходов (йх = 1 при параллельных проходах, kx — 2 при перекрестных проходах); ппр — число проходов. Продолжительность ударного импульса определяют по формуле (57), а глубину внедрения рабочего органа за один удар [см. формулу (61)1 — по формуле к _ -"УД—ct ~ S(u-V)kt где 5 — площадь контактной поверхности рабочего органа, м2; — коэффициент, учитывающий угол заострения рабочего органа клиновидной формы: при а = 180° £«=*1; при а — 30° ka — 3,6; при а = 60° ka = 2,2; при а = 90° ka = 1,75. »
Удельное динамическое сопротивление связных грунтов t fe2-yr (1 — я) (1 + IF/100) d2+ &&cg д “ gk, При блокированном частоударном резании грунтов, если глубина резания меньше критической, и небольших скоростях резания для связных грунтов можно принять F = bh + h? ctgvp, где b и h — соответственно ширина рабочего органа и глубина резания, м; ур— угол наклона боковых частей зоны динамического разрушения. Для глубины резания, значительно превышающей критическую, •Сила сопротивления грунта разрушению при заданной скорости и внедрения рабочего органа [см. формулу (62)] р_ _ (ti — v) kpS Во время приложения динамической нагрузки грунт перед ножом уплотняется и характеризуется уже другими показателями. Если обозначить ТР(1-л)(1 +Wl№)lg**I’, то для определения Г при уточненном расчете следует пользоваться алгоритмом, изложенным в [3]. Для скальных, полускальных и мерзлых грунтов К =/,у2 + W Для определения зоны разрушения при снятии нагрузки с грунта следует учитывать глубину /а разделения этой зоны на части. Особенно это существенно для скальных грунтов. Глубина сжатой зоны для уточненного расчета определяется зависимостью /2= utu где и — скорость волны, — время разрыва сжатой зоны грунта [см. формулу (78)J. При требуемой глубине внедрения 6 скорость рабочего органа 2£уд*« Сопротивление грунта разрушению машинами цикличного действия ■Р-тгиг-'    <85> машинами непрерывного действия — р vukabhm sin аг AF k    ’    ' * где аг— угол наклона рабочего органа к горизонту; т — масса рабочего органа. При отсутствии диаграммы ай= f (ед) ориентировочно можно принять Од = (1,36-т-1,6) аст;    (87) где Ост— предел прочности на статическое сжатие образцов прочного грунта. При этом большее значение принимается для скоростей 10— 12 м/с. Рассмотрим на примере методику расчета сил сопротивления грунтов динамическому разрушению. Пример 1. Определить усилие внедрения и величину ьоны разрушения при лей' ствии цилиндрического штампа на известняк при следующих условиях: штамп весом О — 1000 Н падает с высоты Н = 2 м; площадь рабочей зоны штампа S = 0,001 м2. Предел прочности известняка ад = 18 • 106 Н/м2; ед = 0,018, 1 = 2800 Н • сг/м4, ц = 0,24, Ед = 86 • 107 Н/м2. Скорость внедрения штампа в известняк о = Y2gH = У 2 • 9,81 • 2 = 6,26 м/с. Энергия единичного удара _ вУ\ _ 1000 • 6,26* уд 2g ~ 2 • 9,81 ~~ ’ Н ' Скорость волны деформаций u-\f £д(1-Ц) _ лГ 86 • 107 (1 -0,24) V / (1 — ц — 2ц2) V 2800 (1 — 0,24 — 2 • 0,242) ~ м/с' Удельное динамическое сопротивление известняка 6Д = /и2 + 8дад = 2800 • 6,262 + 0,018 • 18 • 10е = 433 725 Н/м2. Объем разрушенной зоны „ _ 2Еулка    _ 2 • 1997,3 ■ 1 р ka 433 725 _ ’ М ‘ Глубина внедрения штампа Л - 2Eyqvka    2 ■ 1997,3 • 6,26 • 1 512 • 433 725 • 0,001 ~ °>П2м- Сопротивление внедрению D _ vukpSm 6,26 • 512 • 433 725 • 0,001 -100 r--7v—и---л—;-- = *7 402 Н. 4Eyaka    4 • 1997 • 1 Пример 2. Определить энергию и число ударов, необходимые для разрушения гранита (ад = 6 • 107 Н/м2, ед = 0,08, Еа = 27 • 108 Н/м2, I = 3000 Н • cVm4, [i = 0,14) на глубину 6Т = 0,1 м рабочим органом с плоским круглым ударником радиусом Ry = 50 мм, массой 10 кг, движущимся со скоростью 10 м/с. Скорость волны ц= ]/ _A£z=JiL___ ]/ 27. 10» (1-0,14) V / (1 + (г) (1 — 2ц) У 3000 (1 +0,14) (1 —2. 0,14) “ 9/1 М/С-Удельное динамическое сопротивление гранита kA = Iv2 + едстд = 3000 ■ 102 + 0,08 ■ 6 • Ю7 = 51 • 105 Н/м*. my2 10 ■ 102    ц Es = - g— =-2- =    * Тогда глубина внедрения 2E3vka    2 • 500 • 10 • 1    ____ ~ ukaS 971 • 51 • 105 • 0,0078 ~ °>00026 M* где S = лЩ = 3,14 • 0,052 = 0,0078 m2.
Требуемое число ударов для внедрения на глубину 6Т = 0,1 м п = 8т/6 = 0,1/0,00026 = 384. Для разрушения гранита за один удар на заданную глубину бт = 0,1 м необходимая энергия удара при скорости о = 10 м/с 6ukaS 0,1 ■ 971 - 51 • 105 . о,0078    „ 1ПЧ „ Еу» =    =-2Т1оЛ-- = 193 131 Н • м= 193 кДж. Машины ударного действия с различной активизацией рабочего органа составляют большую группу рыхлителей для разработки прочных и мерзлых грунтов. Разработаны опытные конструкции виброударных рыхлителей УПИ-2, УПИ-2М, ВР-25, экскаваторные ковши с виброактивными зубьями ВК-2, ВК-3, ВК-4 (табл. 17). Таблица 17. Технические характеристики экскаваторных ковшей с виброактивными зубьями и виброударных рыхлителей Марки Показатели экскаваторных ковшей рыхлителей УПИ-2М Энергия удара, Дж 1500—3000 Число ударов в минуту Масса ударной части, кг Статический момент дебалансов, Мощность двигателей вибрато ров, кВт Техническая производительность,- Базовая машина Экскава Экскава Экскава Трактор Трактор тор Э-505 тор Э-1011 тор Э-1261 Т-100ГП Наиболее эффективным является рыхлитель ВР-25, монтируемый на тракторе Т-100ГП. Основной узел рыхлителя — генератор с пусковым устройством, приводящийся в действие от коленчатого вала трактора и предназначенный для питания вибромолота. Подъем клина с вибромолотом осуществляется лебедкой. На машине имеется система статической пригрузки рабочего органа, что улучшает условия рыхления. Производительность машины — до 35 м3/ч, число ударов в минуту — 400, работа одного удара — 4 кДж. С 1961 г. в ЦНИИС Минтрансстроя СССР и Институте горного дела Сибирского отделения АН СССР под руководством Д. И. Федорова и А. Н. Федулова проводятся экспериментально-теоретические исследования Процесса ударного разрушения мерзлых грунтов экскаваторными ковшами с пневмоударными зубьями. Экспериментальные исследования ударного разрушения мерзлоты рабочими органами, представляющими блоки пневмоударного действия, встроенные в рабочие кромки экскаваторных ковшей, позволили выявить внешнюю картину разрушения и установить зависимость между силовыми и энергетическими величинами, характеризующими этот процесс. В итоге были созданы образцы ковшей с пневмоударными зубьями: МК-1, МК-2, МК-3, МК-4. Практика их применения показала необходимость значительного увеличения энергии удара в момент врезания ковша в массив, что требует дополнительных автоматических устройств, регулирующих энергию ударов в различные стадии разрушения прочного грунта. Рис. 33. Схема машины непрерывного ударного действия (конструкция Днепропетровского горного института): 1 — экскаватор; 2 «— стрела; 3 — рабочий орган. Для обеспечения требуемой интенсивности разработки мерзлого грунта энергия, приходящаяся на единицу длины лезвия зуба, должна быть не ниже 70—80 Дж/см. Для выполнения этого условия необходима установка компрессоров производительностью 25 м3/мин. Рис. 32. Виброклин: 1 — корпус; 2 — наковаль* ня; 3 — ударник; 4 — деба» лансы; 5 «— направляющие.
Анализ полученных результатов подтверждает перспективность применения пневмоударных зубьев экскаваторных ковшей для разработки грунтов с законченным циклом. Для открытых горных работ применяются машиныс обрушающими динамическими рабочими органами. Установка конструкции ЦНИИС МПС с возмущающей силой 83 кН, мощностью двигателей 8,4 кВт и числом оборотов вала ротора 2925 в минуту представлена на рис. 32. Навесной вибрационный рыхлитель на тракторе Т-140, разработанный в тресте Мосстроймеханизация № 7, со статическим моментом дебалансов 3 кН • см при частоте 800 колебаний в минуту имеет производительность до 50 м3/ч. В качестве машины непрерывного ударного действия используется экскаватор Э-652 с дизельным двигателем КДМ-100. На стрелу экскаватора навешивают центробежный рабочий орган ударного действия, который состоит из планшайбы, поводка, ударника, зубила (рис. 33). Техническая характеристика машины непрерывного ударного действия Диаметр окружности вращения зубил, м Ширина ротора, м 1,83 До 200 До 12 До 40
Частота вращения рабочего органа, мин-1 Работа единичного удара, кДж Глубина скола породы, см Для эффективного разрушения мерзлого грунта на рабочем органе роторного мерзлоторыхлителя использован в приводе дифференциальный вибратор крутильных колебаний. Такой вибратор представляет собой многосателлитный дифференциальный редуктор с цилиндрическими колесами, на сателлитах которого закреплены дебалансы. Сателлиты с дебалансами собраны в механизме таким образом, что при синфазном вращении возмущающие силы дебалансов попарно компенсируются, будучи направленными радиально, и создают пары сил, расположенные по касательной к окружности вращения осей сателлитов. Момент этих пар сил, действующий через оси сателлитов на водило с периодом пол-оборота сателлитов, попеременно то складывается, то вычитается из постоянного крутящего момента на водиле от двигателя. Совместное действие переменного крутящего момента от возмущающих сил дебалансов и постоянного момента от двигателя (с учетом передаточного отношения трансмиссии) обеспечивает создание на водиле комбинированной нагрузки. Машина с роторным рабочим органом ударного действия для планировки и послойной разработки мерзлых грунтов служит навесным оборудованием к серийному бульдозеру Д-294 на тракторе Т-100ГП. Расчетная производительность машины — 50 м3 мерзлого грунта в час. Разработана конструкция машины с ударным ротором для планировки мерзлого грунта и для разрушения или насечки асфальта. Машина полунавесная, сотбором мощности от трактора Т-100 или Т-125. На раме машины крепится ударный ротор и транспортная тележка с автомобильными колесами. Через карданную, коническую и цепную передачи мощность передается на вал ротора. Техническая характеристика машины с ударным ротором Диаметр ротора, мм Число оборотов в минуту Энергия удара, кДж Скорость движения, км/ч Ширина захвата, м 1450 80—130 2—4 0,1—2,4 2,26
Роторный рабочий орган конструкции КИСИ состоит из нескольких ударников, расположенных под некоторым углом к радиальной плоскости рабочего органа. Радиус режущей кромки каждого последующего ударника на некоторую величину меньше предыдущего. За счет центробежной силы ударник прижимается к упору, занимая положение А (рис. 34, а). При встрече первого ударника, имеющего наи-
Al

Pjv 34. Схема роторно-ударного рыхлителя КИСИ: а — конструкция; б — принцип работы; 1 ~ ударник; 2 — серьга; 3 упор; 4 — ступица.
большую длину кромки, с массивом разрушается его часть I (рис. 34, б). Кинетическая энергия и скорость ударника при этом значительно уменьшаются, он поворачивается вокруг оси подвески, занимая положение Б, и выходит из забоя. При повороте рабочего органа на некоторый угол второй ударник занимает начальное положение первого, а ось рабочего органа передвигается на величину 2я. v г со где г — количество ударников; v — скорость подачи рабочего органа; — его угловая скорость вращения. При равной длине ударников толщина стружки в горизонтальном направлении составит ДI. Однако вследствие того, что последующие ударники короче предыдущих на величину немногим больше А1, взаимодейстйие их с новой частью массива происходит при повороте рабочего органа на некоторый угол. При таком расположении ударников каждый из них разрабатывает определенную часть массива — //, III или IV (см. рис. 34, б). Толщина стружки не зависит от числа ударников и имеет большую величину, чем при обычном фрезеровании. В связи с этим не происходит лишнее измельчение разрабатываемого грунта. Машина с роторным рабочим органом ударного действия для разработки узких траншей линий коммуникаций в прочных грунтах спроектирована в качестве навесного оборудования на тракторе Т-100ГП. Пример. Выбрать параметры рабочего органа роторно-ударного действия для разработки суглинистого грунта при температуре минус 5 С (0Д = 280 даН/см2, 8д = 0,03; ц = 0,28; / = 2700 Н • с2/м4) на глубину h — 20 см Ширина рабочего органа Ь = 0,08 м; а = 30°; а = 36 мм, сила тяжести 0 = 800 Н. Скорость вращения рабочего органа при радиусе ступицы 0,3 м и длине рабочего органа 0,2 м а = у 2Еуд/11 = V2- 4000/10,2 = 28 с~1, где момент инерции ]1 - GrV{2g) - 800 • 0,52/(2 • 9,81) - 10,2 Н • с* • м. При угловой скорости со = 28с—1 скорость внедрения рабочего органа в грущ о *= 12,4 м/с. Удельное динамическое сопротивление грунта
,д _= hl + <тдед = 2700 • 12,4» + 280 • 10* • 0,03 - 1 235 000 Н/м2.
Скорость волны деформаций
tt= V—сдА-р->_ = л/- 135 • Ю7 (1—0,28) 2700 (1 + 0,28) (1 — 2 • 0,28)
V /(I + ц) (1 — 2ц) V Глубина внедрения за один проход s 2Ey/3vka 2 ■ 4000 ■ 12,4 • 3,62 ______ — ukaS    799 • 1 235 ООО • 0,029 ~ ,и ’ энергия единичного удара £уд = /1<о2/2 = 10,2 • 282/2 = 4000 Н • м; ширина прорези ' S = 6 • о = 0,08 • 0,036 = 0,0029 м2. Оптимальной плечо скола [4] гэф = Р1(мяЬ). Сопротивление грунта разрушению 799 • 1 235 000 ■ 0,0029 Р--2ТТ2.4 : 3762- =32882 Н, тогда 1Эф = 32 882/(3,14 • 280 • 8) = 4,6 см. Скорость подачи при двух рабочих органах (г = 2) 1эфга> 4,6 • 2 • 28 лпп1 . ПОД    2д    2-3,14 —40,01 см/с- Навесной одностоечный рыхлитель частоударного действия конструкции КИСИ предназначен для разработки мерзлых и полу скальных грунтов на глубину до 400 мм. Приводом служит кривошипный механизм, связанный с валом отбора мощности (рис. 35). Ширина рабочего органа 65 мм, угол наклона стойки к горизонту 45°, подвеска рабочего органа шарнирная четырехзвенная. Возмущающая сила 36 кН, амплитуда колебаний 56 мм, число колебаний в минуту 620. Базой рыхлителя являются тракторы Т-100, Т-80, мощность привода рабочего органа 35 кВт, производительность до 180 м3/ч. Наиболее эффективен при производстве небольших объемов работ — рытье траншей, каналов, небольших котлованов. Навесной вибрационный рыхлитель (рис. 36) предназначен для разрушения плотных и замерзших грунтов на глубину до 300 мм. Приводом рабочего органа служит эксцентриково-шатунный механизм, вращающийся от вала отбора мощности. База рыхлителя — трактор Т-80 (Т-100), ширина рабочего органа — 60 мм, подвеска рабочего органа — шарнирная, мощность привода — 35 кВт, амплитуда колебаний — 30 мм, возмущающая сила — 30 кН, число ударов в минуту — 360, производительность — до 140 м3/ч. Основной недостаток этого рыхлителя — изменение угла резания грунта в процессе колебаний. Однако простота и надежность конструкции позволяют широко применять его при строительстве каналов на засоленных твердых грунтах. Навесной частоударный рыхлитель предназначен для разрушения скальных и мерзлых грунтов при производстве работ на больших площадях. Привод—кривошипно-шатунный от электродвигателя мощностью 60 кВт, база рыхлителя — трактор ДЭТ-250 с ходоуменьшите- Рис. 35. Схема навесного рыхлителя частоударного действия конструкции КИСИ: 1 — трактор Т-100; 2 — гидроцилиндр; 3 — клиноременная передача; 4 — маховик; 5 — коромысло; 6 — нож; 7 —« амортизатор. Рис. 36. Схема навесного вибрационного рыхлителя конструкции КИСИ: 1 — трактор Т-100; 2 — блок; 3 — амортизатор; 4 — канат; 5 — нож; 6 —- эксцентриково-шатунный механизм; 7 — шкив. лем. Ширина рабочего органа— 110 мм, угол наклона стойки к горизонту — 75°, угол резания — 46°, сила удара — 80 кН, ход рабочего органа — 6 см, число ударов в минуту — 510, производительность — до 280 м3/ч. Схема работы аналогична показанной на рис. 35. § 15. ЗАРУБЕЖНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ДИНАМИЧЕСКИХ РЫХЛИТЕЛЕЙ Из широко распространенных конструкций зарубежных машин и оборудования ударного действия для разработки прочных грунтов можно отметить следующие. Фирма «Iron of Canada» (Канада) применяет для разработки негабаритных кусков грунта свободное сбрасывание тяжелых снарядов массой до 11 т различной формы со стрел экскаваторов и кранов. Недостатком машин этого вида является трудность их обслуживания, так как при сбрасывании снарядов необходимо точно рассчитать моменты выключения сцепления и торможения. Слишком (раннее торможение может привести к обрыву каната или опрокидыванию базовой машины. При запаздывании включения тормоза значительная часть каната сматывается с барабана и при последующем наматывании могут образовываться петли, что приводит к интенсивному износу ка* ната. Фирма «Arrow Mfg. Со.» (США) создала машину с падающим молотом для разрушения покрытий и прочных грунтов.    | Рабочее оборудование установлено на пневмоколесном шасси с гид>4 рофицированной трансмиссией, что позволяет изменять рабочую ckoJ рость перемещения от 0,72 до 1,3 км/ч. Транспортная скорость маши* ны достигает 48 км/ч. В качестве рабочих органов применяются тяже*;, лые стальные цилиндры, заостренные в нижней части, пробойника-. с максимальным диаметром до 90 мм, клинья раз*;-личных конструкций и трамбовочные плиты. Рис. 37. Схема машины фирмы «Arrow Mfg. Сол (США): t — базовая машина; 2 — гидроцилиндр; 3 — кронштейн; 4 — несущая платформа; 5 — ось траверсы; — траверса; 7 ■— рама; 8 направляющая.
Схема оборудования показана на рис. 37. На крон»; штейнах 3, .закрепленных на базовой машине 1, шар-; нирно крепится несущая платформа 4, на которую через специальные подкладки опирается fpaBepca 6. Осью. 5 эта траверса соединяется: с рамой 7, которая, в свою очередь, соединена с направляющей рамой 8.. При переводе оборудования в транспортное положение молот стопорится в направляющей специальным устройством, а сама направляющая перемещается в крайнее положение и с помощью гидроцилиндра 2 укладывается сбоку от водителя. Направляющая может наклоняться вокруг оси 5 на 9° в обе стороны и перемещаться в поперечном направлении на расстояние 2,13 м, что позволяет разрабатывать полосу шириной до 2,4 м. Подъем молота массой 450—;500 кг осуществляется гидроцилиндром через полиспаст. При максимальной высоте подъема 2,74 м энергия удара составляет около 15 кДж. Сбоку на машине может устанавливаться оборудование для забивки свай длиной до 3 м или оборудование для укладки труб в траншеи. Фирма «Arrow Construction Со.» (Англия) выпускает машину Д-500, предназначенную для разрушения покрытий, рыхления прочного грунта, забивки свай длиной до 1,8 м. Навесное оборудование ударного действия устанавливается на базовое шасси грузового автомобиля с одной ведущей осью, оборудованного дизельным двигателем мощностью 44 кВт. Оборудование может работать в процессе перемещения базовой машины. Ходоуменьшитель обеспечивает бесступенчатое регулирова-. ние рабочих скоростей в диапазоне от 0 до 7,2 км/ч. Транспортная скорость машины 41,5 км/ч. Машину обслуживает один человек. Управление оборудованием автоматическое. Техническая характеристикаг машины Масса молота, т Высота падения (регулируемая), м Энергия удара, кДж Число ударов (регулируемое) в ми Производительность при толщине бетонного покрытия 0,2—0,3 м, Колесная база, м Колея, м Направляющая рама (сварная каркасная) может перемещаться при помощи гидродвигателя роликовой цепи в поперечном направлении на расстояние 1,72 м и наклоняться в вертикальной поперечной плоскости до 9° в обе стороны от оси. Рис. 38. Схема навески гидромолота на экскаватор фирмы ч-Krupp G. т. £>» (ФРГ): 1 — молот НМ-400; 2, В — оси; 3, 6, Т — гидроци-линдры; 4 — рукоять.
Перед транспортировкой оборудование укладывается сбоку от водителя. При поперечном перемещении направляющей рамы квадратная уплотняющая плита с длиной стороны 30,5 см может уплотнять с одной стоянки полосу шириной 2,4 м. Для подъема рабочего оборудования применяется гидроцилиндр с шестикратным полиспастом. Насос гидросистемы приводится в действие непосредственно от коленчатого вала двигателя. Фирма «Nippon Pneocmatie Mfq. Со.» (Япония) применяет оборудование для разработки покрытий, прочных грунтов, шлака и для забивки свай. В последнем случае конструкция машины немного изменяется. Оборудование навешивается на стрелу колесного или гусеничного экскаватора и может применяться с тремя модификациями пневмомолотов: УРН-200 (масса 200 кг, расход воздуха 4 м3/мин); УРН-400 (масса 400 кг, расход воздуха 6 м3/мин); УРН-600 (масса 550 кг, расход воздуха 9 м3/мин). Фирма «Krupp G. т. Ь» (ФРГ) выпускает гидромолоты для различных машин. Например, молот НМ-400 с энергией удара 400 Дж (число ударов в минуту 500) устанавливается на экскаваторе. На рис. 38 показана схема навески молота НМ-400 на рукоять обратной лопаты экскаватора. Молот / может поворачиваться относительно оси 2 при помощи гидроцилиндра 3. За счет гидроцилиндра 6 молот вместе с рукоятью 4 поворачивается вокруг оси 5, а также прижимается к грунту во время работы. Гидроцилиндрами 7 молот может поворачиваться на 270° вместе с рукоятью и стрелой вокруг оси, параллельной оси машины, и поэтому работает как в вертикальном, так и в горизонтальном положениях. Такая кинематическая схема рабочего оборудования позволяет использовать молот в любой точке зоны действия стрелы. § 16. РАСЧЕТ ВИБРАЦИОННЫХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ Вибрационное разрушение наиболее эффективно для грунтов средней крепости, а также при работе узких ножей на больших глубинах и скоростях. Производительность машины с разрезающими ножами Пт = /=Ър/гв/3600,    (89) где F = bh — площадь поперечного сечения прорези, м2; b — ширина ножа, м; h — глубина резания, м; ур — рабочая скорость машины, м/с. Длина зоны внедрения рабочего органа в грунт при приложении усилия под углом к горизонту б =    2£УДР«=*« ^ (и — у) kjph sin 0Cj Усилие сопротивления грунта для разрезающих ножей при уточненном расчете где ус = Упер + ок = Опер + А(о — суммарная скорость внедрения рабочего органа в грунт, если векторы скоростей колебаний vK = .Асо и перемещений ипер совпадают. С учетом возмущающей силы Q П (u — v) /гд5сртю (91)
где (о — частота колебаний; т — масса рабочего органа; кгЪ (1 — Л) (1 + -Щ-) vl + s^cg ~ ttk.
удельное динамическое сопротивление связных грунтов, Н/м2. Наиболее эффективным является режим, когда направления скоростей t^nep И VK СОВПадаЮТ и VK Упер. Поэтому для инженерных расчетов можно принять <92> При этом амплитуда колебаний для наиболее эффективного режима [3] тогда частота колебаний при заданном значении Q со = V Ql(mA) .    (94) Для землеройных машин с зависимой активизацией привода рабочего органа bhkд (и — о) (ау.э "Ь упер) ^05
р.    (96) Для ориентировочных расчетов при резании сопротивление грунта р = ukAbh о ИЛИ    а ии in2 - Sin ^ cos1    (97) '    ' sm2 —g- cos —g- здесь a — угол заострения рабочего органа в плане; а" — угол наклона рабочего органа к вертикали; оу.э — скорость распрямления упругого элемента. Рассмотрим на примере применение методики расчета сил сопротивления вибрационному рабочему органу разрезающего типа. Пример. Подобрать привод вибратора'^разрезающего динамического рабочего органа для уменьшения тягового усилия Т на 60—70% по сравнению со статическим тяговым усилием. Грунт — суглинок (с = 70 Н/сма, п = 0,3, Wr = 12%, <р = 28°); Yp = 26 кН/м3; бд = 0,08; kt = 0,18; Ед = 12 • 10е Н/м2; ширина рабочего клинообразного органа 6 = 0,И м, а — 30°, а" = 15°; глубина резания h = 0,6 м; сила тяжести вибрирующих частей 3000 Н, скорость движения v = 2 м/с (7*2 км/ч). Сопротивление грунта при резании без вибрации D    ukRF 99-319 422.0,066 ... „ Рб-в =    = 2.2.~3,6    144 937 Н’ U- V Ел0-^)е _ 1/ 12 000 000 (1 -0,4)- 9,81 _ У Yrd+M)(l -2[i) ~ У 26 000 (1 + 0,4) (1—0,8)    ; ’ ktfr (1 — п) (1 + W) о2 + cgeд д ^ : 0,18 • 26 000 (1 -0,3) (1 + 0,12)22 + 70. 10* • 9,81 • 0,08 --0718~9781    19 1 1 ’ Заданная величина динамического эффекта 6Э = 70% = 0,7. В общем случае она имеет вид [3] бэ= 1_Г/Р6.В. Из последнего выражения легко определить тяговое усилие при вибрационном режиме; Т = Р6 в — 6эЯб в = 144 937 — 0,7 • 144 937 = 43 481 Н; [Т'-^.в+^в (2-М- = -3^74- [43 481 — 144 937 + 0,7 • 144 937 (2 — 0,7)] = 79 с"1, mv
частота вращения привода вибратора составляет 756 об/мин. Амплитуда колебаний ukAF
300 . 2s • 3,6
А =
= 0,004 м.
99 - .319 422 • 0,066 Сопротивление грунта вибрирующему рабочему органу икдЬН а_ 99 • 344 357 • 0, И • 0,6 • 1 ,05
= 63 560 Н;
Р =
2 • 0,066 • 79 • 3,6
2A(i>kr,
а    а ■ sm -g- cos -у 0>34 _ Q^34 s.n2 j 50 _ sin 15° cos i5c
/ — / sin2 ■
Р =
cos 15° sin2 15° cos 15е
„ . „ a a cos a sin2 —g— cos —g-
= 1,05;
u _ k2yr (1 — n) (1 4- W) V2 + С£8д *д — 0,18 • 260 000 (1 —0,3) (1 + 0,12) 42 + 70 • 10* -9,81 • 0,08 =    0,18-9,81 = 344 375 H.
Величина динамического эффекта при полученных параметрах дэ = 1 — 63 560/144 937 = 0,57. Возмущающая сила вибратора Q = тАш2 = 300 • 0,004 • 79* = 7249 Н. § 17. ЗЕМЛЕРЕЗНЫЕ МАШИНЫ Для разработки прочных и мерзлых грунтов применяются ’различ-. ные типы землерезных машин: баровые, дисковые, роторные. Принцип работы баровой машины заключается в сочетании движения цепи рабочего органа в вертикальной плоскости и перемещения всей машины, в результате чего зубья срезают стружку, а разрушенный грунт выносится цепью на поверх-, ность. Баровый исполнительный рабочий орган (рис. 39) состоит из рамы, кулачковой цепи и режущих зубьев. Порядок расположения зубьев определяется полусвободной схемой резания, при которой предыдущий рез об- Рис. 39. Баровый исполнительный орган: 1 — рама; 2 т» кулачковая цепь; 3 зубья.
разует дополнительную обнаженную плоскость для последующего ре-за и т. д. Баровые машины для разработки мерзлых грунтов устанавливаются на базе траншейных экскаваторов (рис. 40) или тракторов общего назначения (рис. 41). Характеристика баровых машин приведена в табл. 18. В рабочих органах этих машин применяются резцы с цилиндрической вставкой и резцы, армированные пластинками из сплавов ВК8В или ВК8Б. Скалорезныи агрегат предназначен для вырезания блоков (траншей) в скальных грунтах (рис. 42) и создан на базе трактора Т-100М. На задней части трактора установлена рама, на которой укреплены четыре направляющие колонны для подъема режущего устройства. Привод режущих элементов осуществляется от вала отбора мощности трактора. Рабочий орган машины имеет несколько скоростей. Новая модификация агрегата позволяет получать одновременно две вертикальные и одну горизонтальную щель в скальном грунте. Мерзлые грунты можно разрабатывать также врубовой машиной (рис. 43). Врубовую машину при этом устанавливают «на ребро» на лыжах и с помощью тяговой лебедки и троса, укрепленного на анкерном столбе, перемещают по направлению резания. Порядок производства работ следующий: на противоположных по диагонали углах контура котлована устанавливаются анкерные столбы; за них закрепляется трос лебедки врубовой машины и прорезаются четыре щели по контуру котлована; продольные и поперечные щели прорезаются по площади котлована челночным способом (после прохода в один конец машина прорезает щель обратным ходом в противоположном направлении); с помощью бульдозера нарезанные куски грунта отрывают от массива и автокраном грузят на транспортные средства. Расстояние между осями щелей зависит от-глубины промерзания (глубины резания) грунта: Глубина резания, м    1    1,4 1,6 Расстояние между осями щелей, м 1,5    1,2 1,15 Стоимость нарезки врубовой машиной продольных и поперечных щелей для траншей шириной 1 м при глубине промерзания грунта 1,8 м с выемкой автокраном грузоподъемностью 3 т составляет 0,85 руб. за 1 м3, производительность одной машины — около 10 м3 в смену. Технологическая схема работы машины должна обеспечивать наибольшую производительность не только землеройных машин, но и'ма-шин для выемки и транспортировки грунта при минимальной стоимости работ. Площадь щелей для выемки 1 м8 грунта, м2/м3, S=l//np+l// ПОП -4* 1/^пр -Ь 1Д» ПОП» где /пр и /поп — соответственно расстояние между продольными и поперечными щелями; Lnp и Lnon —длина продольных и поперечных щелей. Производительность баровой машины [2] Q = (P„HJS) kjt„    ■ (99) где ип — скорость передвижения машины; Нщ — глубина щели; К — коэффициент, зависящий от крепости грунта; Группа мерзлого грунта 1 li    III IV Значение коэффициента kr 1 0,44 0,31 0,13 Таблица 18. Техническая характеристика баровых машин Показатели Марки машин \ БМРМГ-1 ССАМ-2 ССАИ-4 УССАИ-2 ЭТЦ-204 УРМГ-60 2БТДТ-100 Тип' базовой машины Т-100МГП Мощность двигателя# Количество баров» ют. Максимальная глуби на щели, м Ширина щели* ми Расстояние между ба рами, мм Скорость движения 0,79; 1,8; 0,79; 0,36 1,54; 2,57 режущей цепи* и/о 2,-1; з,з Рабочая екорость пе ремещения машины? м/ч Транспортная ско рость перемещения машины, км/ч Масса, » Производительность,- £ _коэффициент использования машины по времени, определяемый по формуле к = ТЦТ + 7В), где Т = (Lnp + Lnon)/v„ — чистое время работы машины; Тв = = (1,7 + 32//щ) (п1 + п2 — 2) — продолжительность вспомогательных операций (rtj и п2 — число продольных и поперечных щелей). Рис. 42. Двухбаровый скалорезный агрегат:
Производительность машины повышается при увеличении ее скорости кп и уменьшении числа вырезанных щелей п, что возможно при нарезании продольных щелей при незначительном промерзании грунта и при использовании гидроска-лывателей — при глубоком. J — рабочий орган; 2 — редуктор бара; 3 — штыбо-отбрасыватель; 4 — коробка отбора мощности; 5 — ресивер; 6 распределитель; 7 — гидроцилиндры; Рис. 43. Схема работы врубовой машины КМП-2 на мерзлоте: / анкерный столб; 2 —■ корпус машины; 3 направляющие; 4 —• бар.
Для резания естественных строительных материалов, грунтов, известняков, ракушечников и т. д. применяются различные виды рабочих органов камнерезных машин [111. Режущим инструментом камнерезных машин служат дисковые пилы, кольцевые и торцовые фрезы, виброфрезы, алмазные диски и др. Так как скорости резания дисковых, кольцевых и алмазных пил достигают значительных величин, (от 15 до 40 м/с), их можно отнести к машинам с высокоскоростными рабочими органами. Конструкции дисковых пил бывают различными. Они состоят из сплошного металлического диска и закрепленных на нем резцов (рис. 44). Диски рассчитываются на устойчивость и действие критической силы, при которой происходит выпучивание диска, с коэффи-, циентом запаса- k3 = 4 -f- 5. Кольцевые фрезы состоят из неподвижного диска, жестко укрепленного на раме камнерезной машины. По наружному диаметру этого диска с помощью зубчатого зацепления вращается кольцо, в зубьях которого просверлены отверстия для установки резцов (рис. 45). Мощность резания такими рабочими органами N = kbSa^H/6120,    (100) где k — коэффициент критического напряжения; b — ширина пропила, м; 5 — подача, м/с; (Тс* — прочность породы на одноосное сжатие, Па; Н — глубина пропила, м. В настоящее время на камнерезных машинах применяются резцы трех видов: копьевидные, лопаточные, полукруглые и типа ГК, из которых наиболее эффективны последние. Разработано пять типоразмеров твердосплавных пластин, соответствующих типажу существующих дисковых пил. Наиболее надежны в работе резцы камнерезных машин, армированные пластинами из сплава ВК6. При этом обработка твердосплавного инструмента камнерезных машин синтетическими алмазами уменьшает износ резцов на 15%. Рис. 44. Дисковая пила: 1 — ступица; 2 — диск; 3 — резец.
у 2 3 А Рис. 45. Кольцевая фреза конструкции А. М. Столярова: 1 — диск; 2 — резцедержатель; 3 — резец; 4 — основной диск. Существенным показателем работы таких рабочих органов является ограничение биения резцов величиной подачи на один резец. Использование алмазных дисков для обработки естественных камней целесообразно только для получения поверхностей высокого качества. К высокоскоростным рабочим органам следует отнести дисковые рабочие органы, армированные абразивом, синтетическими и естественными алмазами. Такие рабочие органы допускают скорости до 60— 80 м/с. При абразивном резании инструмент состоит из металлического диска, на поверхность которого с помощью бакелитовой связки нанесена абразивная масса. Толщина слоя абразивного материала в радиальном направлении составляет 10—12 мм, по бокам диска — 5— 6 мм. Абразивная масса состоит из карборундового или электрокорун-дового шлифовального зерна и шлифовального порошка, спрессованных в специальной пресс-форме. Кроме жидкого бакелита в массу добавляется алебастр. В последнее время для резания облицовочных материалов применяются не только естественные (0,5—1,5 карата), но и искусственные алмазы. Для устранения растрескивания алмазов при нагревании (в связи с их малой теплопроводностью) обычно предусматривается водяное охлаждение. Однако оснащение камнерезных машин дисковым инструментом с искусственной алмазной режущей кромкой без подвода охлаждающей жидкости дает огромный эффект по сравнению с существующими дисковыми рабочими органами. Таблица 19. Технические характеристики камнерезных машин В табл. 19 приведены основные характеристики некоторых отечественных камнерезных машин. В КИСИ предложена конструкция многослойных сегментных алмазных дисков, отличающаяся от серийных значительно меньшей температурой в зоне резания, уменьшением поперечных колебаний диска и уровня звукового давления. На основании анализа процесса динамического разрушения грунта рассмотрим условия взаимодействия сплошного диска с разрезаемой средой. Для этого представим работу диска, Рис. 46. Схема работы алмазных дисков конструкции КИСИ. вращающегося с угловой скоростью со и перемещающегося со скоростью 1>п, в зависимости от силы сопротивления среды. Из треугольника BOD получим (рис. 46) OD = R — Н = R cos |3Х, * откуда cos = 1 — H/R\ = arccos (1 — H[R). Так как длина дуги ВС = R$1: то площадь контакта рабочего органа со.средой S = Rfi^ = Rb arccos (1 — HjR), значит, сопротивление среды D _ uvKaRb arccos (1 — HjR) kK (104)
2Ё k ’ УД 3 D _ uvKpRb arccos (1 — H/R) kKfT * К    кр г    ! D' _ uvKpRb" arccos (1 —H/R) kK N--2F k    ’ D' _ uvKRb" arccos (1—H/R) kKfT * К    np и В этих уравнениях приняты такие же обозначения, как в формулах (56)—(66). Кроме того, Кя = /у2 + сгуед; kK — коэффициент, учитывающий концентрацию алмазного слоя; k3 — коэффициент, учитывающий зернистость алмазного слоя; ад — динамическая прочность среды с учетом температуры ее нагрева; ед — относительная деформация при динамическом нагружении. На основании исследования процесса резания известняков с пневмоотсосом продуктов разрушения, выполненного Г. С. Белорусовым Рис. 47. Фрезерный бар: а — конструкция; 6 — схема работы; / — фрезы; 2 — пустотелый корпус; 3 *— вал фрезы? 4 __ муфты; 5 — воздухопровод; 6 — рама; 7,8 — поворотное устройство; 9 каналы для подачи воздуха. и В. А. Лобановым, в Одесском инженерно-строительном институте разработана серия новых рабочих органов камнерезных машин: вибробар, дисковая пила с пневмоотсосом, торцовая фрезерная пила, торцовая фрезерная пила с регулятором степени разрежения в зоне резания, торцовая строгальная пила, фрезерный бар, цилиндрическая затылочная фреза и др.
В Одесском инженерно-строитель-А ном институте разработаны проекты ' камнерезных машин ЗМ-247 и К-50/1 с рабочими органами — вибробарами. Вибробар выполнен в виде пустотелой жесткой плоской пилы, состоящей из двух стальных щек. Режущая часть представляет собой гребенку с резцами из пластинок твердого сплава, между которыми находятся отсасывающие каналы. Привод сообщает вибробару возвратно-поступательное движение с частотой 1400 колебаний в минуту и амплитудой 15 мм. Рис. 48. Торцовая фрезерная пила конструкции ОИСИ:
1 — фреза; 2 — штанга; 3 — муфты; 4, 6 — воздуховоды; 5 — редуктор; 7 — корпус.
Применение вибробара дает хорошие результаты и по динамике процесса резания известняков прочностью до 5 МПа, и по отбору и транспортированию пневмотранспортом продуктов разрушения на расстояние до 10 м, и по обеспыливанию воздуха забоя (запыленность— до 8 мг/м3).    * а Двухсторонняя режущая кромка фрезерного бара состоит из ступенчато расположенных фрез, насаженных на штанги разной длины (рис. 47). Фрезы армированы зубьями из твердого сплава ВК6. Расположение зубьев по двухзаходной спирали обеспечивает полублокиро-ванную схему резания камня. Штанги фрез заключены в полый корпус, соединенный с пневмоотсасывающей установкой. Вибробар и фрезерный бар механизируют две операции при добыче штучных блоков — производство пропилов и транспортирование продуктов пиления. Коэффициент механизации может достигать при этом 60%. Торцовая фрезерная пила (рис. 48) позволяет устранить недостатки перечисленных ранее устройств для распиливания известняков, комплексно механизировать процесс, удаление продуктов пиления, снятие выпиленных камней. Режуще-съемное обеспыливающее устройство состоит из штанг, заключенных в кожух, с фрезами, которые приводятся во вращение зубчатым редуктором. Благодаря разрежению, создаваемому вентилятором, штыб удаляется непосредственно из пропила. Это дает возможность делать штыковые пропилы с последующим снятием камня, отрезанного другим инструментом с тыльной стороны. Ввод в работу одновременно нескольких торцовых фрезерных пил, объединенных в режущую головку и производящих последовательные серии штыковых вертикальных и горизонтальных пропилов, позволяет перейти к новой прогрессивной технологии вырезки блоков пакетами. Киевским СКБ «Строймашина» совместно с Одесским инженерностроительным институтом разработана конструкция обеспыливающего камнерезно-уборочного комбайна К-50/2 с торцовыми фрезерными пилами. Конструкция режущего органа камнерезной машины выбирается в зависимости от прочности камня. При прочности камня до 8 МПа целесообразно применять машины с цепным режущим органом, при прочности камня до 30 МПа — машины с дисковыми рабочими органами, свыше 30—50 МПа — с кольцевыми фрезами. Производительность камнерезных машин, м2/ч, [11]
<<< Предыдущая страница  1     Следующая страница >>>


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