Машины для земляных работ

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

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

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

&o^£2/io.
Ширину зубьев b определяют исходя из условий прочности, так как при их расчете необходимо учитывать возможность реализации полного тягового усилия на одном зубе, встретившем препятствие. а — профиль зубьев; б — расположение зубьев на ковшах; в — то же, на ковшах цепи
На ковшах многоковшовых экскаваторов зубья располагают в шахматном порядке, как показано на рис. 3.14, в. При этом зубья последующего ковша снимают выступы, оставшиеся после прохода предыдущего, чем обеспечивается наибольшее деблокирование резания и наибольший эффект от применения зубьев. Д И. Федоровым были исследованы режущие кромки различной формы: прямые, заостренные, полукруглые, с зубьями и без них. При этом были доказаны преимущества полукруглой режущей кромки по рис 3.15, при которой режущий периметр средней своей частью вынесен вперед. Плавные очертания полукруглой режущей кромки способствуют свободному прохождению грунта по рабочей поверхности без образования призмы волочения. Особенно эффективно постепенное увеличение радиуса рабочей поверхности, что расширяет поток грунта и исключает его смятие. При этом весь ^деформированный грунт забирается ковшом без потерь Полукруглая режущая кромка дает возможность использовать прочную форму режущего органа и выполнять его более тонким, чем при прямоугольном сечении. Благодаря этому ковш лучше внедряется в грунт и создается организованный поток его. Применение полукруглой режущей кромки без зубьев может дать экономию удельной энергоемкости до 20—25% На основе изложенного рабочие органы машин для земляных работ должны удовлетворять следующим требованиям: обеспечивать минимальную энергоемкость процесса резания с отделением разрабатываемого грунта от массива без непродуктивных затрат энергии на деформирование неразрабатываемого грунта; затраты энергии на перемещение разработанного грунта в емкости (ковши) или к транспортирующим органам для последующего перемещения к месту укладки должны быть минимальными, обеспечивать выполнение заданных технологических операций (движение рабочего органа в стесненных условиях, точность планировки и т. д.); должна соблюдаться правильная геометрия процесса резания при задаваемой траектории движения рабочего органа (сочетание рабочих движений и подачи в плоскости резания или перпендикулярной плоскости, сочетание движений поворота рукояти и ковша и т. п.); режущие элементы должны обладать прочностью, износостойкостью и самозатачиваться; должна обеспечиваться возможность применения быстросъемных сменных изнашивающихся элементов. § 3.3. Особенности разрушения прочных и мерзлых грунтов
Для разрушения прочных и мерзлых грунтов применяют как специальные рабочие органы, так и обычные. Вследствие повышенной прочности грунта требуется подводить больше энергии к забою или изменять способ воздействия на грунт. Основными способами разрушения прочных грунтов являются из перечисленных в § 3.1 механический, взрывной и термический. Ведутся также работы по использованию токов высокой частоты, электрогидравлического, ультразвукового (звукового) и химического воздействия на грунт. В настоящее время доминирует способ механического разрушения прочных и мерзлых грунтов — им выполняется более 75% объема работ. Способ разрушения грунтов при малой скорости приложения силового воздействия называют статическим. Так как сопротивление прочных и мерзлых грунтов разрушению в процессе скола (отделения элемента стружки) изменяется весьма значительно в малые промежутки времени, то в отличие от обычных грунтов этот термин к прочным грунтам можно принять чисто условно. Амплитуда изменения силы резания прочных и мерзлых грунтов составляет в среднем 0,7 среднемаксимальной величины. Такие колебания силы обусловливают и динамические воздействия на рабочее оборудование и динамичность самого процесса разрушения грунта. При разработке таких грунтов преобладающую часть силы копания составляет сопротивление резанию, тогда как силы, необходимые для преодоления сопротивления перемещению призмы волочения, заполнению ковша и т. п., не играют значительной роли. Нагрузку при статическом разрушении грунтов повышенной прочности нужно прикладывать более сосредоточенную, чем на мягкие грунты: это необходимо для получения на поверхности контакта достаточного высокого давления для внедрения инструмента в массив грунта. Из-за весьма больших сил резания и высокого напора (см. § 2.3) необходимо увеличивать прочность, а следовательно, размеры и массу рабочих органов и машины в целом. Этим обусловлена целесообразность применения для разработки мерзлых и прочных грунтов дополнительных способов воздействия, при которых энергия подводится к инструменту непосредственно, и нагрузки, действующие на машину, существенно снижаются. При повышении скорости приложения нагрузки к мерзлому или скальному грунту можно увеличить эффективность рабочего процесса, так как уменьшаются затраты энергии на пластическую деформацию грунта; при скоростях, близких к скорости распространения пластических деформаций, он разрушается как хрупкое тело. Сдвига грунта ^ не происходит в том случае, если скорость деформирования больше динамической скорости распространения напряжений сдвига ит: ®т = Кт0/р,    (3.34) где то — предельное касательное напряжение грунта; р — его объемная масса. В динамическом разрушении грунта, происходящем при практически мгновенном приложении нагрузки, значительную роль играют дефекты его структуры (поры, трещины, каменистые включения и т. п.). Разрушение происходит в наиболее слабых местах, а дефекты структуры в прилегающей еще неразрушенной области увеличиваются — развиваются опережающие трещины. Одним из видов динамического воздействия на грунт является ударное. В начальный период при внедрении ударного рабочего органа в грунт перед ним образуется уплотненное ядро; при проявлении в грунте предельных напряжений начинают образовываться трещины, обусловливающие отделение части массива. Возникающие в грунте при ударе упругие волны распространяются на значительные расстояния, вредно сказываясь на фундаментах прилегающих сооружений; кроме того, при движении массы груза, наносящего удары, неизбежны динамические нагрузки на базовую машину. Виброударные и вибрационные устройства позволяют уменьшить массу рабочего органа и всей машины за счет большей частоты силовых импульсов. При достаточной частоте приложения нагрузки (1000 Гц и более) упругие напряжения в грунте не успевают полностью компенсироваться в периоды между ударами и накапливающиеся деформации увеличивают дефекты структуры, что обеспечивает разупрочнение грунта. Вибрация рабочего органа позволяет уменьшить тяговое усилие из-за ослабления сил сцепления между частицами грунта. Способ взрывного разрушения достаточно широко применяют для разработки мерзлых и прочных грунтов. При взрыве заряда ВВ окружающий массив испытывает давление стремительно расширяющихся газообразных продуктов, что смещает и разрушает прилегающие к месту взрыва слои грунта. В нем распространяются ударные волны, разрушающие или колеблющие грунт. Этот способ достаточно эффективен и не требует больших трудозатрат, хотя и дорог. Основным преимуществом взрывного способа является быстрота выполнения крупных объемов земляных работ в труднодоступных местах (болота, горные условия). В последние годы успешно применяют удлиненные заряды ВВ, например шланговые, укладываемые в прорезаемые в грунте щели (щелевзрывной способ получения протяжных выемок). Короткозамедленное взрывание зарядов и устройство компенсирующих щелей дают возможность уменьшить расход взрывчатых веществ и лучше рыхлить грунт. Термический способ разрушения заключается в неравномерном нагреве прочных грунтов и горных пород путем подведения к ним тепловой энергии. Так как теплопроводность этих сред достаточно низкая, локальное тепловое воздействие вызывает неравномерное расширение породы, что разрушает некоторый ее объем. Чем выше скорость нагрева отдельного участка, тем интенсивнее разрушается порода. Нагревать прочный грунт можно раскаленными газами, электрическим током промышленной частоты, пропускаемым через среду, высокочастотной электромагнитной энергией, инфракрасным и световым (лазерным) облучением. Термический способ из-за высокой энергоемкости более выгодно применять для разрушения камня, негабаритов, при добыче полезных ископаемых. Комбинировать способы термического и механического воздействия целесообразно для разработки больших объемов прочных и мерзлых грунтов. Способ электрогидравлического разрушения среды основан на использовании высоковольтного электрического пробоя в воде, вызывающего мгновенное ее расширение. Воду можно заливать в полость, образованную в грунте или горной породе, или в рабочую камеру породоразрушающего инструмента. Электро-гидравлический эффект позволяет получать в импульсе мощности, в сотни и тысячи раз превышающие мощность источника энергии, а также непосредственно преобразовывать электрическую энергию в механическую. Давление в полости разряда может достигать тысяч атмосфер при длительности разряда в несколько микросекунд. В разрушаемой породе возникает крутой фронт ударной волны, разрушающий породу. Сущность способа ультразвукового или звукового разрушения состоит в передаче колебаний торца инструмента разрушаемой породе непосредственно или через суспензию абразива, подаваемого к зоне разрушения. Во втором случае колеблющиеся зерна абразива внедряются в породу и разрушают ее. При непосредственной передаче колебательной энергии разрушаемой среде в ней возникают упругие волны, которые при плотности энергии Вт/см2 или более разупрочняют или разрушают прочный грунт. Физические способы разрушения пород в настоящее время проводят опытно-промышленные испытания, а некоторые из них применяют в промышленности. Наиболее перспективно применение комбинированных воздействий на прочные и мерзлые грунты, при которых физическое воздействие разупрочняет их структуру, а разрушение происходит механическим способом. При химическом разрушении льдоцементных связей между частицами грунта применяют хлориды (хлористый натрий, калий и т. п.) и некоторые другие композиционные смеси. Хлориды оказывают воздействие только на верхний слой мерзлого грунта, не превышающий 5—10 см. Однако эти химические соединения представляют опасность для окружающей среды и рабочих органов машин, что резко ограничивает применение химического способа. ГЛАВА 4 ПРИВОДЫ МАШИН ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ Привод включает в себя силовое оборудование (установку), трансмиссию и систему управления, предназначенные для приведения в действие рабочих органов и механизмов машины. На машинах для земляных работ сочетают силовые установки с различными трансмиссиями и системами управления. Требования к приводу машины определяют особенности технологии производства работ, условия эксплуатации и режима ее нагружения. От технологии зависит последовательность включения и реверсирования механизмов, совмещение их действия. Работа отдельных машин в составе комплексов требует постоянной готовности их к действию. Условия эксплуатации машины — работа на открытом воздухе в любое время года и суток на резко пересеченной местности, с различными климатическими и грунтовыми условиями и зачастую вдали от населенных пунктов — определяют требования высокой надежности всех механизмов машины, возможности работы при кратковременных перегрузках, простоты технического обслуживания и ремонта, работоспособности при больших поперечных и продольных уклонах рельефа и в условиях бездорожья, а также независимости от внешних источников энергии. Из-за необходимости в частой и быстрой переброске машин с одного места на другое различными видами транспорта они должны быть компактными, иметь малую массу, быстро переводиться из транспортного положения в рабочее и наоборот, а также должны быстро разбираться и собираться. Затраты энергии на единицу вырабатываемой продукции должны быть минимально возможными. К одной из специфик машин для земляных работ относится неравномерность нагрузки рабочих органов. От характера изменения нагрузок зависит режим работы машины и ее привода. Режим работы машины определяют в зависимости от возможных колебаний нагрузки по величине и времени, продолжительности нагрузки п непрерывной работы, коэффициента включений, скорости и ускорения движений, частоты реверсирования. Коэффициент включения представляет собой отношение продолжительности работы под нагрузкой tH ко всему рабочему времени tp, %• Различают три режима работы машин для земляных работ: легкий, средний и тяжелый (табл. 4.1). Таблица 4.1 Характеристика режимов работы машин для земляных работ Режим работы ^макс^ср Коэффи циент включения Число включений в 1 ч Типы машин Легкий Средний Тяжелый Примечан 1,1—1.3 1,5—2,0 и е* ^макс н аибольшая 20—30 До 30 (максимал Автогрейдеры Скреперы прицепные, грейдер-элеваторы Одноковшовые экскаваторы, бульдозеры, скреперы самоходные ьная) нагрузка; Рср — средняя на- грузка. § 4.1. Характеристика приводов и силовых установок На машинах для земляных работ используют три основных вида привода: механический, гидравлический и электрический. Приводы устраивают также комбинированные — электрогидравличе-ские или гидромеханические. В качестве силовых установок на машинах для земляных работ применяют двигатели внутреннего сгорания (чаще всего дизельные) и электродвигатели постоянного или переменного тока. По количеству двигателей различают одномоторные и многомоторные приводы, которые иногда называют групповым и индивидуальным. В индивидуальном приводе для каждого механизма имеется своя силовая установка, в групповом все механизмы или отдельные группы приводятся в действие от одной силовой установки. Индивидуально-групповой привод является комбинацией двух первых. Вид привода должен соответствовать режиму и условиям работы машины. Мощность N, расходуемую приводом на выполнение рабочих операций, ограничиваемую величиной максимальной мощности силовой установки Лтмакс, определяют как произведение N=Pv или N = M®,    (4.1) где Р, М — усилие и момент сопротивления, преодолеваемые исполнительными механизмами; v, ш — линейная и угловая скорости этих механизмов. Мощность силовой установки рационально используется в тех случаях, когда с увеличением или уменьшением внешней нагрузки привод обеспечивает соответствующее изменение моментов с одновременным изменением рабочих скоростей. Режим нагрузки силовых установок машин для земляных работ является, как правило, неустановившимся, т. е. носит переменный характер. Нагрузка колеблется непрерывно в течение рабочего цикла. Особенно изменяются нагрузки силовых установок у одноковшовых экскаваторов, скреперов и бульдозеров; у автогрейдеров колебание нагрузки несколько меньшее, двигатель же грейдер-элеватора работает при нагрузках, близких к постоянным. При работе двигателей на неустановившихся режимах нагрузки снижается их мощность, ухудшается топливная экономичность и уменьшается срок службы. Механическая или внешняя характери-
Рис. 4.1. Внешние характеристики: а —. приводов; б — силовых установок; 1 — электродвигателя постоянного тока с параллельным возбуждением; 2 — дизеля с регулятором; 3 — трехфазного асинхронного электродвигателя; 4 — электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением стика привода выражает зависимость скорости перемещения ра-бочего органа от момента или усилия на нем. На рис. 4.1 показаны внешние характеристики различных видов приводов. Если с увеличением нагрузки на рабочем органе незначительно снижается скорость движения последнего, то характеристику привода называют жесткой (рис. 4.1, а кривая 1-1'). В этом случае мощность, отбираемая от силовой установки, как видно из формулы (4.1), непостоянна — она зависит от нагрузки. Силовая установка при этом сильно перегружается. Регулирующие возможности такого привода ограничены. Применять привод с жесткой характеристикой целесообразно при устойчивом режиме работы механизма без часшх перегрузок или применении силовой установки с соответствующим запасом мощности. При мягкой характеристике (кривая 2-2') с ростом нагрузки резко уменьшается частота вращения вала двигателя, она может стать равной нулю при значительной величине усилия или момента на рабочем органе. Привод будет работать в стопорном режиме. Идеальной по использованию мощности силовой установки внешней характеристикой привода является такая, которая при любом изменении внешних нагрузок обеспечивает постоянство потребляемой МОЩНОСТИ' N = N макс1!— const,    (4.2) где г| — коэффициент полезного действия трансмиссии. Эту характеристику выражают зависимостью v—N/P или <o=N/M,    (4.3) т. е. при jV=const характеристика описывается гиперболой (кривая 3-3'). В диапазоне больших скоростей она является мягкой, а при малых скоростях — жесткой. Такие характеристики необходимы для бульдозеров, грейдер-элеваторов, машин для подготовительных работ и др. Рациональная для одноковшовых экскаваторов характеристика (кривая 4-4') обеспечивает жесткость до предельного значения момента или усилия, после которого она становится мягкой и дает возможность приводу перейти в стопорный режим. Таким образом, при мягких характеристиках привод имеет свойство саморегулироваться, т. е. автоматически снижать частоту вращения при перегрузке, соответственно увеличивая величину передаваемого крутящего момента, или увеличивать скорость при снижении нагрузки, повышая тем самым производительность машины. В машинах для земляных работ наиболее целесообразны такие приводы, которые обеспечивают максимальное использование установленной мощности при высоком КПД, имеют мягкую характеристику, хорошо воспринимают динамические нагрузки, а также такие, которыми легко управлять. Реальные механические характеристики распространенных типов силовых установок показаны на рис. 4.1, б. При изменении крутящего момента на валу дизельного двигателя на 50—60% незначительно изменяется частота вращения; у карбюраторного же двигателя она практически не изменяется, т. е. эти силовые установки имеют жесткую характеристику. Иная картина наблюдается у дизеля с гидротрансформатором и электродвигателя постоянного тока с параллельным возбуждением, когда с ростом нагрузки от нуля до максимума частота вращения изменяется от минимального значения до нуля. § 4.2. Силовое оборудование У машин для земляных работ основным видом силового оборудования являются дизельные двигатели внутреннего сгорания со следующим рядом мощностей: 12—16, 30—40, 50—55, 65—80, 120— 135, 175—220, 275—320, 440—880 кВт. Двигатели внутренного сгорания применяют для этих машин как с непосредственной механической передачей на исполнительные механизмы рабочих органов, так и с различными преобразователями, которые обеспечивают защиту двигателей и всех конструкций машин от внешних перегрузок. Преобразователи целееообраз-чо применять тогда, когда внешние характеристики двигателей внутреннего сгорания не соответствуют режиму работы машин. К преимуществам двигателей внутреннего сгорания относятся: независимость их от источника внешнего питания, относительно высокий КПД (у дизелей 25—37%), малая масса на единицу мощности (3—5 кг/кВт), небольшой расход горючего (0,22— 0,25 кг/кВт- ч). К недостаткам двигателей внутреннего сгорания следует отнести: невозможность реверсивной работы, малый предел регулирования скорости на одной передаче, высокую стоимость эксплуатации, жесткие требования к качеству топлива, сравнительно малую долговечность (3000—4000 ч работы), большую чувствительность к перегрузкам, трудность эксплуатации при низких температурах, потребность в фрикционных, гидравлических или других муфтах для передачи движения от двигателя к трансмиссии. На некоторых машинах для земляных работ устанавливают электрические или комбинированные дизель-электрические приводы. Силовой установкой такого привода является генератор, питаемый от внешней сети, или агрегат, сочетающий дизельный двигатель с генератором. Генераторы питают током электродвигатели постоянного или переменного тока, приводящие исполнительные механизмы рабочего оборудования. Двигатели переменного тока просты в управлении, надежны и удобны в эксплуатации, могут выдерживать кратковременно большие перегрузки. Существенный недостаток электропривода с двигателями переменного тока состоит в том, что он фактически не может саморегулироваться. Применение же сопротивлений для смягчения характеристики приводит к большим потерям энергии и увеличению массы привода. Для регулирования скоростей применяют различные варианты, например систему электропривода с тормозным генератором постоянного тока, сочлененным с валом двигателя. По этой схеме момент тормозного генератора регулируют изменением тока возбуждения и величины сопротивления в цепи якоря. В электрических приводах некоторых экскаваторов применяют асинхронные крановые электродвигатели трехфазного тока напряжением 220 и 380 В с короткозамкнутым ротором при мощности от 7 до 8 кВт или с контактными кольцами при большей их мощности. Двигатели с короткозамкнутым ротором удобны в управлении, но для пуска их требуется большой ток (пусковой момент) и у них невозможно регулировать скорость. Поэтому такие двигатели применяют только для привода лебедок с небольшим усилием и вспомогательных механизмов. Двигатели с контактными кольцами удовлетворительно работают при частых пусках в торможениях, у них можно регулировать частоту вращения. Управляют такими двигателями вручную (контроллером) или автоматически при помощи магнитных (контакторных) станций. Электродвигатели постоянного тока можно считать наиболее приемлемыми для приводов землеройных машин с тяжелым режимом работы. Несмотря на то что массы и габаритные размеры таких приводов в 1,5—2,5 раза больше любых других, на некоторых экскаваторах устанавливают многомоторные приводы по схеме «генератор — двигатель» Г—Д или ТГ—Д (трехобмоточный генератор— двигатель) с злектромашинным или магнитным усилителем. На некоторых машинах такие приводы выполняют с одним генератором постоянного тока, приводимым в действие сетевым двигателем или дизелем. Режим работы генератора при таких схемах хорошо согласовывается с характеристикой приводного двигателя; полностью используется мощность силовой установки даже при изменении нагрузок в широком диапазоне. Этот привод обеспечивает бесступенчатое регулирование скорости (рис. 4.1); при этом выполняется условие (4.2). Преимущества электропривода следующие: постоянная готовность к работе, простога конструкции, пуска, управления и реверсирования, высокий коэффициент полезного действия, возможность удачной компоновки, получение мягкой характеристики, дистанционное управление, а также относительно малые размеры и масса. К недостаткам электропривода относятся зависимость от источника энергии и большая стоимость комбинированного привода. На машинах для земляных работ в последние годы широко применяют гидравлические приводы. Они являются вторичными, так как получают энергию от насосов, приводимых электродвигателями внутреннего сгорания. Гидравлические приводы работают при давлении от 6,3 до 31,5 МПа и более. В качестве рабочих жидкостей в них используют масла: индустриальное М12А, веретенное АУ, авиационное AM Г и ВМГЗ. Гидравлический привод обладает рядом преимуществ по сравнению с другими видами: он имеет сравнительно небольшую массу и габариты насосов и гидромоторов, возможность получения больших передаточных чисел, которые могут достигать 1000 и более. Небольшая инерционность передач, обеспечивающая хорошие динамические свойства привода, увеличивает долговечность машины и позволяет включать ее и реверсировать рабочие движения за доли секунды, что повышает производительность машины. Гидропривод обеспечивает бесступенчатое регулирование скорости движения рабочих органов, что дает возможность повышать коэффициент использования приводного двигателя и автоматизировать не только отдельные операции, но и целые технологические процессы. При наличии гидропривода улучшаются условия работы машиниста, уменьшаются затраты энергии на управление машиной независимо от мощности привода, повышается безопасность работы. Узлы привода можно размещать на машине наиболее целесообразно: насос у приводного двигателя, гидромоторы — непосредственно у исполнительных органов, элементы управления — у пульта машиниста. Приводной двигатель, система привода, металлоконструкции и рабочие органы надежно предохраняются от перегрузок, благодаря применению предохранительных и перепускных клапанов. Кроме того, в системах гидропривода широко применяют стандартизированные и унифицированные узлы (насосы, гидромоторы, гидроцилиндры, гидроаппаратура), что снижает себестоимость гидропривода и облегчает его эксплуатацию и ремонт. К недостаткам гидропривода относятся: снижение КПД при использовании длинных трубопроводов, потребность в специальных жидкостях для различных климатических условий, необходимость тщательного наблюдения за состоянием соединений и возможность утечек рабочей жидкости, большая по сравнению с механическим стоимость изготовления. § 4.3. Трансмиссия Трансмиссией называют систему устройств, посредством которых передается движение от силовой установки к механизмам и рабочим органам машины. Трансмиссия позволяет изменять по величине и направлению развиваемые силовой установкой скорости, крутящие моменты и усилия. По способу передачи энергии трансмиссии машин для земляных работ подразделяют на механические, электрические, гидравлические, пневматические и комбинированные. Все они, кроме механических трансмиссий, имеют участки, на которых механическая энергия первичной силовой установки преобразуется в энергию других видов (электрического тока, рабочей жидкости, сжатого воздуха), а затем снова в механическую. В комбинированных трансмиссиях такое преобразование может происходить неоднократно. Любая трансмиссия представляет собой разомкнутую систему, имеющую вход и выход. Вход ее соединен с силовой установкой, а выход — с исполнительным механизмом рабочего органа. К основным параметрам входа и выхода относятся: момент Л1ВХ(7ИВЫХ) или усилие РВх{Рвъш), угловая скорость соВх(соВых) или линейная ь'вх(г>выхЬ а также мощность iVBX(jVBbи). Показателем, оценивающим эффективность работы трансмиссии как системы, является коэффициент полезного действия Л=А^ВЬ1Х/А^ВХ;    (4.4) •^выхывых .    ^вых^вых    /■ Л Л----) Л——т.-•    (’•ч/ Л'1вх°'нх    ■* вх^вх Отношение Юрых/овх (Увых/явх) характеризует способность трансмиссии преобразовывать величину угловой (линейной) скорости и называется передаточьым отношением г0. Отношение Мвых/Мвх (Рвы\/Рвх) дает представление о возможности трансмиссии преобразовывать величины момента (усилия). Это отношение называют коэффициентом преобразования момента (усилия) /£пр. Таким образом, для любой трансмиссии справедливо выражение 'П=^прг’о-    (4-6) Важным показателем трансмиссии является степень ее прозрачности. Прозрачностью трансмиссии называют способность ее передавать колебания внешней нагрузки силовой установке. В прозрачных трансмиссиях любые колебания внешней нагрузки передаются силовой установке, что усложняет режим и снижает экономичность работы последней. Поэтому для облегчения режима работы силовой установки и предохранения ее от перегрузок предпочтительны трансмиссии с меньшей степенью прозрачности. Следует отметить, что полностью прозрачные трансмиссии отсутствуют. Механические трансмиссии подразделяют на редук-торные и канатно-блочные. Первые представляют собой системы редукторов в сочетании с различными передачами (зубчатыми, карданными, цепными, ременными и др.). Составными частями вторых служат лебедки и канатные полиспасты с направляющими блоками. Важными элементами механических трансмиссий являются муфты и тормоза. Редукторы предназначают для отбора и распределения мощности силовой установки между механизмами машины, а также для изменения величины и направления силовых потоков. Компоновка редукторов зависит от типа машины и размещения на ней потребителей энергии. Редукторные трансмиссии могут передавать движения только на короткие расстояния. При относительно больших размерах передач (на бульдозерах, скреперах, экскаваторах) обычно используются канатно-блочные трансмиссии. Положительными качествами механических трансмиссий являются относительная простота, сравнительно небольшая масса и стоимость, а также достаточная надежность в работе. К их недостаткам следует отнести значительные потери энергии в муфтах и тормозах, зубчатых и других передачах, ступенчатое изменение скоростей и моментов, сложность компоновки передачи при большом числе скоростей, затруднительность автоматизации управления рабочим процессом машины. Для расширения диапазона регулирования скоростей и крутящих моментов приходится усложнят*, конструкции трансмиссий, что ухудшает надежность и ремонтопригодность машины. Существенным недостатком механических трансмиссий является их полная прозрачность. Значительный эффект даег совмещение механических трансмиссий с гидромеханическими. Последние обеспечивают быстрый разгон и торможение, хорошо гасят крутильные колебания, выполняют функции автоматических бесступенчатых коробок скоростей, согласовывают работу механизмов, получающих энергию от одного приводного двигателя. Поэтому гидромеханические трансмиссии широко применяют в машинах для земляных работ. Гидродинамические трансмиссии выполняют с гидромуфтами и гидротрансформаторами (рис. 4.2). Их особенность состоит в отсутствии жесткой связи между ведущей и ведомой частями. Мощность передается за счет кинетической энергии рабочей жидкости, воздействующей на лопасти рабочих колес. Гидромуфта (рис. 4.2, а) имеет два рабочих колеса: насосное Н и турбинное Т. Первое соединяют с двигателем, второе — с ведомым элементом 1 трансмиссии. Оба колеса образуют замкнутое кольцевое пространство — рабочую полость, которую заполняют жидкостью. Лопатками насосного колеса, приводимого во вращение двигателем, жидкость отбрасывается к периферии рабочей полости и попадая на лопатки турбинного колеса, приводит его во вращение. Затем жидкость снова поступает к насосному колесу. Рис. 4,2. Принципиальные схемы гидродинамических трансмиссий: £L—'Гидромуфты; б — гидротрансформатора, 1 — ведомый элемент; 2— турбинное колесо; 3 — насосное колесо, 4 — рабочая жидкость; 5 — корпус; 6 — двигатель; 7 — реактор Поскольку активные диаметры рабочих колес гидромуфты одинаковы, а их лопасти, согласно второму закону Ньютона, воспринимают одинаковое сопротивление рабочей жидкости, в процессе работы постоянно обеспечивается равенство моментов насосного и турбинного колес: (4.7)
У14н=-Жг. Коэффициент полезного действия гидромуфты с ростом нагрузки на турбинном валу уменьшается. Величина момента, передаваемого насосным колесом гидромуфты, ограничена — она зависит от скорости вращения насосного колеса, плотности рж рабочей жидкости и активного диаметра D гидромуфты (наибольший диаметр рабочей полости). При постоянной скорости о)н максимальное значение момента где Ян — коэффициент крутящего момента насосного колеса. 62 На практике удобнее пользоваться частотой вращения насосного колеса ян = 30сон/я. Подставив г]п вместо сош после соответствующего преобразования получим Ма MaKCf= 1,08 • 10-V^2D5_    (4.9) Если момент нагружения турбинного вала Мт достигнет максимальной величины, турбина остановится. При этом мощность flJr станет равной нулю, так как мт = 0, мощность же Мя достигнет своего максимального значения, и муфта начнет проскальзывать. Коэффициент полезного действия муфты обратится в нуль. Так как на любом режиме работы гидромуфты соблюдается равенство (4.7), коэффициент преобразования момента в ней Ктм = Мг/Мв=1. Тогда КПД гидромуфты составит Лгч -^"гм^'гм ^'г п где 1ГМ — передаточное отношение гидромуфты. Равенство КПД муфты передаточному отношению является отличительной особенностью гидромуфт. Гидромуфта не предназначена для преобразования величины и направления крутящего момента. Она может служить лишь надежной защитой механических трансмиссий и силовых установок машин для земляных работ от перегрузок. Гидротрансформатор (рис. 4.2, б) состоит из трех рабочих элементов: насосного колеса Н, закрепленного на ведущем валу, турбинного колеса Тг жестко посаженного на ведомый вал, и неподвижного направляющего аппарата. Межлопаточные каналы этих рабочих элементов заполняют, как и в гидромуфте, циркуляционной жидкостью. Благодаря наличию направляющего аппарата при изменении внешней нагрузки в гидротрансформаторе преобразуются не только скорость вращения, но и крутящий момент. Уравнение моментов для гидротрансформатора имеет вид МТ=-(МИ + М,).    (4.10) Анализ этого уравнения показывает, что при одинаковых значениях моментов насосного Мн и роторного Мр колес абсолютная величина крутящего момента турбинного колеса Мт будет больше момента Мя. Это свидетельствует о том, что гидротрансформатор может преобразовывать крутящий момент. Следовательно, в отличие от гидромуфты коэффициент преобразования крутящего момента, называемый в этом случае коэффициентом трансформации, не равен единице. Величина Мт меняется в пределах от 2 до 6. Гидротрансформаторы в трансмиссиях землеройных машин могут выполнять роль бесступенчатых редукторов, плавно и автоматически изменяющих величины крутящих моментов. Это значительно облегчает управление машиной и дает возможность повысить ее производительность. Гидротрансформатор надежно предохраняет трансмиссию и двигатель от перегрузок, а срок службы двигателя и агрегатов трансмиссии увеличивается. Однако из-за сравнительно низкого КПД гидротрансформатора возникает необходимость увеличивать мощность силовой установки на 10—15%, что снижает экономичность машины. Общий недостаток гидромеханических трансмиссий — возможность передавать мощность только на незначительные расстояния, ограниченные их габаритными размерами; кроме того, они совершают только вращательное движение. Независимо от этого гидромеханические трансмиссии широко применяют на экскаваторах, самоходных скреперах, колесных бульдозерах и погрузчиках. Более совершенны по сравнению с гидромеханическими гидрообъемные трансмиссии. В конструкцию такой трансмиссии входят насосы, гидромоторы, гидроцилиндры, соединяющие их рабочие линии высокого (напорные) и низкого (сливные, всасы-вающе, подпиточные) давления, а также регулирующие и вспомо-. гательные устройства. На машинах для земляных работ устанавливают аксиальнопоршневые регулируемые и нерегулируемые насосы и гидромоторы, радиально-поршневые высокомоментные гидромоторы, шестеренные насосы и гидромоторы, реже—пластинчатые гидромоторы и насосы. Для приведения в действие элементов рабочих органов с поступательным движением (подъема и опускания стрелы экскаватора, ковша скрепера, отвалов бульдозеров и автогрейдеров, поворота рукояти и ковша экскаватора и др.) используют гидроцилиндры диаметром от 40 до 250 мм и длиной от 80 до 6000 мм, как правило двухстороннего действия. Регулирующие устройства (распределители, дроссели, регуляторы, клапаны) изменяют в процессе работы величину и направление потока жидкости от насоса к гидромоторам, а также ограничивают давление в гидросистеме и предохраняют трансмиссию от перегрузок. Различают распределители золотниковые и крановые. Последние из-за недостаточной герметичности применяют в системах с низким давлением (до 1 МПа). Золотниковые распределители могут быть секционными и моноблочными. Число распределителе# определяется количеством приводимых в действие исполнительных органов, а число позиций и их тип — требованиями к управлению и конструкцией рабочих органов. В большинстве случаев на экскаваторах, скреперах, автогрейдерах и грейдер-элеваторах применяют трехпозиционные золотники, а на бульдозерах и погрузчиках — четырехпозицнонные. Управление распределителями предусмотрено ручное с пружинным возвратом из включенных позиций или с фиксацией во всех положениях. В последние годы в связи с внедрением автоматических устройств в управлении рабочими органами машин для земляных работ применяют золотники с электрогидравлическим управлением. Отечественная промышленность серийно выпускает гидрораспределители с ручным управлением типа Рис гидравлическим или элек-трогидравлическим управлением типа РГ, которые легко автоматизировать. К вспомогательным устройствам гидротрансмиссий относят резервуары (баки), фильтры, центрифуги, теплообменники, дренажные линии и др. Особое внимание при работе гидростатических трансмиссий следует обращать на чистоту рабочей жидкости. Исследованиями, выполненными в Ленинградском инженерно-строительном институте под руководством Г. А. Седлухи, установлено, что при работе машин для земляных работ количество загрязненной рабочей жидкости иногда увеличивается в 10—12 раз по сравнению с требованиями ГОСТ 17216—72. Это, в свою очередь, сокращает срок службы насосов, гидродвигателей и контрольно-регулирующей аппаратуры в 2—2,5 раза по сравнению с чистой рабочей жидкостью. • В этом институте разработано семейство центрифуг, которые можно использовать для очистки жидкости машин для земляных работ. Они имеют лучшую очищающую способность, чем фильтры, и неограниченный срок службы, что повышает надежность и долговечность гидропривода землеройных машин, работающих в запыленной среде. По конструкции гидростатические трансмиссии подразделяют на открытые и закрытые. В первых жидкость из бака подается насосом к исполнительному механизму (гидроцилиндру) и, совершив работу, возвращается в бак, во вторых жидкость из сливной полости исполнительного механизма возвращается во всасывающую полость насоса. По возможности регулирования различают трансмиссии нерегулируемые и регулируемые. В последних количество жидкости, поступающей в гидродвигатель в единицу времени, может изменяться за счет изменения сопротивления участка трубопровода (дросселированием) и регулированием производительности насоса путем изменения рабочего объема (объемное регулирование). По количеству насосов (потоков) различают трансмиссии однопоточные и многопоточные. В однопоточных питание гидродвигателей происходит от одного насоса или группы их, подающих рабочую жидкость в одну линию. В многопоточных гидродвигатели питаются двумя или более насосами, которые подают жидкость в несколько напорных линий. Схему гидростатической трансмиссии с нерегулируемыми насосами и дроссельным регулированием скорости (рис. 4.3) применяют в приводах рабочих органов и механизмов, движение которых имеет установочный характер (например, в приводе подъема отвалов бульдозера и автогрейдеров, ковшей скреперов и одноковшовых экскаваторов). Насосом 3, приводимым от двигателя 4, рабочая жидкость из бака 1 подается по напорной линии 5 через обратный клапан 8 к распределителю 10. Четырехпозиционный распределитель управляет двумя спаренными цилиндрами 11. Использование такого распределителя обеспечивает установку плавающего положения рабочего органа при свободном движении его по грунту. Из распределителя рабочая жидкость по сливному трубопроводу 14 возвращается в бак. Для очистки рабочей жидкости в гидросистеме устанавливают фильтр 13 или центробежный очиститель 15 с переливным клапаном 12, перепускающим жидкость при засорении фильтра 13. Манометры 7 позволяют контролировать давление в напорной и сливной линиях Оба манометра снабжены кранами 6. Вентиль 2 позволяет перекрывать всасывающую гидролинию В системе гидравлического привода такого типа устанавливают предохранительный клапан 9 и переливной клапан 12 Первый перепускает рабочую жидкость в сливную магистраль при встрече рабочего органа с труднопреодолимым препятствием, предохраняя гидравлический привод от выхода из строя. Второй предотвращает разрушение сливного трубопровода и фильтрующего элемента при его критическом загрязнении. Рис. 4 3. Гидравлическая схема открытой гидростатической трансмиссии с дроссельным регулированием Закрытую схему с объемным регулированием скорости движения применяют для привода рабочих органов, постоянно работающих во время технологического цикла машин, например привода рабочего хода экскаваторов непрерывного действия, многоковшовых погрузчиков и конвейеров грейдер-элеваторов (рис. 4.4). Отсутствие дросселирования рабочей жидкости в таких системах позволяет снизить непроизводительные затраты энергии на нагрев рабочей жидкости, что повышает КПД гидравлической системы и улучшает ее тепловой режим. Применение насосов переменной производительности с регуляторами мощности позволяет автоматически изменять скорости рабочих органов в зависимости от внешней нагрузки. С увеличением скорости исполнительных органов при уменьшении нагрузки повышается производительность машин. Уменьшение же скорости при увеличении нагрузки позволяет снизить динамические нагрузки и повысить надежность машины. Привод гидромотора 12 выполнен от регулируемого реверсивного насоса 7, управление которым осуществляется через гидроусилитель 6, питающийся от насоса 3 К насосу 7 прикреплена клапанная коробка, включающая обратные клапаны 8, распределитель 9 и переливные клапаны 10 и 13 Рабочая жидкость подпит очного насоса 18 поступает во всасывающую линию насоса 7 через обратные клапаны 8, а ее избыток поступает на слив через распределитель 9 и перепускной клапан 10 Давление в линии насоса 13 регулируют настройкой переливного клапана 10. Распределитель 9 с гидравлическим }правлением под действием разности давлений в напорной и всасывающей линиях насоса 7 перемещается так, что с клапаном 10 соединяется всасывающая пиния Таким способом обеспечивается об иен рабочей жидкости между замкнутой системой насос 7—• гидромотор 12 и системой подпитки, в которую входят насос 18, теплообменник 15, фильтр с перепускным клапаном 14 и бак 1 Через перепускные клапаны 13 рабочая жидкость переливается из нагнетательной линии гидромотора 12 в сливную; эго устройство смягчает динамические нагрузки в момент разгона и резкого торможения рабочего органа Для контроля давления в системе установлены манометры 5, 11 и 16 с кранами 4, а для контроля температуры рабочей жидкости в гидросистеме имеется термометр 17 Вентили 2 позволяют менять насосы 3 и 18. /2 131 13 Z
Рис 4 4 Гидравлическая схема закрытой гидростатической трансмиссии с объемным регулированием
Первая схема является примером однопоточной открытой трансмиссии. вторая — закрытой. § 4.4. Системы управления Система управления машинами состоит из приборов и устройств (муфт, тормозов, фрикционов, распределителей и др.), позволяющих контролировать работу элементов привода и воздействовать на него изменением величины и направления скоростей, моментов и усилий в соответствии с технологическим процессом Системы управления современными машинами для земляных работ должны обеспечивать надежную работу, быстроту приведения в действие рабочих органов, плавность их включения и выключения, безопасность работы, легкость и удобство работы оператора. Для облегчения управления машиной в системе управления нужно иметь минимальное число органов (рукоятей, педалей, кнопок). Регулирование системы управления должно быть доступным, простым и надежным, а количество регулировок — минимальным. Положение органов управления машиной должно давать оператору представление о направлении движения рабочих органов. По назначению различают системы управления муфтами, тормозами, двигателями и установкой рабочих органов. В зависимости от конструктивного исполнения системы управления разделяют на механические рычажные, гидравлические, пневматические, электрические и комбинированные (гидромехани- 6    ческие, электропневматические Ц_У    и др.). '•    1    Су четом степени ав Рис. 4.5. Принципиальная схема гидравлической системы управления непосредственного действия
томатизации системы управления подразделяют на неавтоматизированные, полуавтоматические и автоматические. Неавтоматизированные системы в зависимости от характера использования мускульной энергии машиниста для привода управления могут быть непосредственного действия или с усилителями (системы с сервоприводом). В первом случае машиной управляют за счет мускульных усилий, прилагаемых машинистом к рычагам или педалями. Во втором случае для воздействия на привод применяют какие-либо источники энергии (электрической, гидравлической, пневматической), а машинист лишь включает и выключает элементы привода системы управления. В полуавтоматических системах автоматизирована управление только некоторыми операциями. При полной автоматизации роль оператора сводится к подаче сигналов о начале и окончании работы, а также к настройке системы на определенную программу управления рабочим процессом машины. Любая из систем управления состоит из следующих основных частей: пульта управления с размещенными на нем органами управления (рукоятками, педалями, кнопками и приборами); системы передач (тяг, рычагов, распределителей, золотников, трубопроводов и т. д.); исполнительных органов, включающих и выключающих двигатели, тормоза и другие устройства. Основными параметрами систем управления являются: усилие, развиваемое на исполнительном органе, скорость движения рабочего звена исполнительного органа, число и продолжительность включений в час, быстрота срабатывания и КПД. Особенность систем управления непосредственного действия заключается в том, что на их работу не расходуется мощность силовой установки. Эти системы могут быть механическими и гидравлическими. В первых усилие руки или ноги машиниста передается исполнительному органу с помощью системы рычагов и тяг, а во вторых—рабочей жидкостью. Затраты мощности на управление в любых случаях не должны превышать средних физических возможностей машиниста, равных при длительной работе 40— 50 Вт. Механические системы управления на машинах для земляных работ нецелесообразно применять из-за их несовершенства. В гидравлической системе управления непосредственного действия (рис. 4.5) усилия машиниста с органа управления передаются рабочей жидкостью, которая при нажатии на педаль 7 из напорного цилиндра 5 по гидролинии 4 вытесняется в рабочий цилиндр 3 и перемещает его поршень. Последний связан с рычагом 9 исполнительного механизма 1 (тормозом или муфтой). Утечки жидкости пополняются из бачка в. Рис. 4.6. Принципиальная схема гидравлической системы управления с гидроаккумулятором
Система возвращается в исходное положение пружинами 2 и 8.    ^ Положительным качеством системы управления непосредственного \ действия является возможность регулирования рабочим процессом в широких пределах, обеспечивающая плавность включения. Недостаток их заключается в значительной физической нагрузке на машиниста. Для облегчения его труда на мацш-ных предусматривают систему управления усилителями. В системах управления в настоящее время применяют усилители гидравлического, пневматического и электрического действия. В любом случае усилитель представляет своего рода трансмиссию, передающую часть мощности силовой установки машины для включения исполнительных органов рабочего оборудования и механизмов. Для включения исполнительных механизмов рабочего оборудования на машинах для земляных работ широко применяют гидравлические, пневматические и электрические системы управления с приводом от основного или специального двигателя. В качестве усилителей в гидросистемах управления целесообразно применять гидростатические передачи. Для предотвращения пульсации рабочей жидкости и поддержания ее давления на определенном уровне используют гидроаккумуляторы. Схема простейшей системы гидравлического управления с гидроаккумулятором дана на рис. 4.6. Рабочая жидкость из бака 1 насосом 2 подается через обратный клапан 3 в коллектор высокого давления 9 пульта управления и одновременно в гидроаккумулятор 4. Попадая в последний, жидкость давит на поршень 5, сжимает пружину 6, усилие которой поддерживает определенное давление в системе. При достижении рабочего давления шток 7 гидроаккумулятора воздействует на клапан-пилот 8, соединяющий напорную магистраль со сливной маги-стралью коллектора низкого давления 10, и жидкость через фильтр 11 сливается в бак. Это устройство разгружает насос и уменьшает его износ.
Если клапан-пилот выйдет из строя, срабатывает предохранительный клапан 12, регулируемый на более высокое давление, чем клапан 8, и жидкость из напорной магистрали начнет поступать во всасывающую магистраль насоса. При остановке насоса закроется обратный клапан 3, система будет удерживаться под давлением с помощью гидроаккумулятора.
Гидравлические системы управления имеют положительные качества, как и гидравлические трансмиссии. К их недостаткам следует добавить резкость включения, что объясняется быстрым нарастанием давления рабочей жидкости. Плавное включение исполнительных органов обеспечивают пневматические системы управления (рис. 4.7). Давление в таких системах не превышает 0,7—0,8 МПа. Вследствие сжимаемости воздуха продолжительность нарастания давления составляет 0,9—1,0 с (у гидравлических — 0,2—0,3 с).
Воздух 3 всасывается через воздухозаборник 4 и фильтр компрессором 2 и затем через влагомаслоотделитель 6 нагнетается в аккумулирующую емкость — ресивер 7. Компрессор приводится в действие двигателем 1. При включении пневматического золотника 8.1 или 8.2 воздух поступает в пневмокамеру 9 или пневмоцилиндр 14. Рабочие цилиндры по конструкции аналогичны гидравлическим, но они значительно больше по размерам вследствие меньших давлений в пневматической системе управления. В пневмокамере функцию поршня выполняет резиновая диафрагма 12, соединенная со штоком 10 и удерживаемая в нормальном положении пружиной И.
Пневмокамеры просты в изготовлении и обслуживании. К недостаткам их относятся малый ход штока и непостоянство передаваемых усилий при одинаковом давлении. По мере выдвижения штока развиваемое усилие гидроцилиндра уменьшается, что объясняется затратами энергии на сжатие пружины и деформацию диафрагмы, а главным образом уменьшением активной площади последней из-за прилегания ее к корпусу камеры. Быстрому возвращению диафрагмы в исходное положение кроме пружины способствует клапан быстрого оттормаживания 13. Предохранительный клапан 5 настраивают нагдавление, превышающее рабочее на 0,03—0,05 МПа.
Пневматические системы управления широко применяют на экскаваторах строительной группы, некоторых скреперах и бульдозерах. Их основной недостаток — необходимость тщательной очистки воздуха от механических примесей, масла и влаги. Конденсат, оседая в пониженных местах, мешает проходу воздуха, а при низких температурах замерзает, что приводит к закупорке и даже разрыву трубопроводов. Поэтому конденсат следует удалять из системы с помощью специальных очистителей. Однако такие системы управления имеют большие габариты.
Часовой расход воздуха пневмосистемы можно определять по формуле
QB=Vra/Q.,    (4.11)
где tiii — среднее количество включений одного потребителя в час; п — количество потребителей; Qi— расход воздуха на одну операцию потребителя.
Расход воздуха па одну операцию составляет:
для цилиндра
для пневмокамеры диафрагменного типа
Qi пк = ■-f- {D\ - адд + d%    (4.13)
где Яд — наружный диаметр диафрагмы; dT — диаметр тарелки штока.
Потребная часовая производительность компрессора, м3/ч,
nK = K3QB,    (4.14)
где Кз — коэффициент запаса, учитывающий утечки и неравномерность работы системы (К3= 1,3ч-1,4).
Необходимый объем ресивера определяют по формуле
<7Р= р К----(4.15)
макс — ^чин
где Кз — коэффициент запаса (Л'3= 1,14-1,2); Qc — расход сжатого воздуха пневмосистемы в 1 с; t — время, потребное для подкачки ресивера (^ = 20—30 с); РЫйкг, Ршш — максимальное и минимальное давление в ресивере. Обычно
р _р —о Ч^Р
1 макс 1 мин    макс*
Внутренний диаметр трубопровода
D, = 2YQJjivb,    (4.16)
где vB — скорость воздуха в трубопроводе, которую для магистральных трубопроводов принимают 10 м/с, а для ответвлений 10— 20 м/с.
Применение гидравлической и пневматической систем открывает большие возможности для дистанционного управления и автоматизации с применением электроники. Особенно целесообразны в этих целях комбинации различных систем: электрогидравлических, электропневмогидравлических.
Большими преимуществами обладают электрические системы управления. Применять их можно для машин с дизель-электриче-кой или электрической силовой установкой.
Системы управления с усилителями в значительной степени облегчает труд машинистов, однако чрезмерное снижение усилий, необходимых для управления, иногда приводит к вредным последствиям. Машинист, не чувствуя сопротивления от поворота рукояти или рулевого колеса, не может оценить, какие силы возникают в управляемом механизме, ход рукоятки может быть не пропорционален ходу исполнительного органа и др. В необходимых случаях используют системы следящего действия, в которых нагрузка на руки машиниста хотя и невелика, но достаточна для ее воспринятая, а главное пропорциональна нагрузке на .исполнительном органе.
ГЛАВА 5 ХОДОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Ходовое оборудование землеройных машин состоит из ходового устройства и механизма передвижения. Ходовые устройства (движители) предназначены для передачи нагрузок от машин на опорную поверхность. Они передвигают машины и изменяют направление их движения. Механизмы передвижения предназначены для привода ходовых устройств при рабочем и транспортном передвижении.
У многих земльройных машин (землеройно-транспортных и экскаваторов непрерывного действия) ходовое оборудование участвует непосредственно в рабочем процессе. Ходовое оборудование землеройно-транспортных машин обеспечивает рабочие (тяговые) усилия, необходимые для разработки грунта и его перемещения. Соответствующее оборудование экскаваторов непрерывного действия обеспечивает непрерывную подачу рабочего оборудования в процессе разработки грунта и создает необходимые усилия подачи.
Современные землеройные машины, имеющие массу до несколь-
Рис. 5 1. Ходовое оборудование землеройных машин:
а — гусеничное; б—пневмоколесное; в — шагающего экскаватора; 1; 2— жесткая и мягкая и гусеница; 3 — многогусеничный ход; 4 — гусеница с поднятым направляющим колесом; 5, 6 — двухосное оборудование с одной и двумя ведущими осями; 7, 8 — трехосное оборудование с двумя и тремя ведущими осями; 9 — подъем лыжи; 10 — опирание на лыжу; // — ход шагания; 12 — опирание на нижнюю раму экскаватора
ких тысяч тонн, предназначены для работы в разнообразных дорожных условиях; транспортные скорости некоторых машин составляют несколько десятков километров в 1 ч.
Для обеспечения разнообразных требований на землеройных машинах применяют различные виды ходового оборудования: гусеничное, пневмоколесное, шагающее, рельсовое и др. (рис. 5.1). Гусеничное ходовое оборудование (рис. 5.1, а) может воспринимать значительные нагрузки при сравнительно низком давлении на грунт, обеспечивает хорошую маневренность и большие тяговые усилия, вследствие чего его широко применяют на землеройных машинах.
К недостаткам гусеничного хода относятся значительная его масса, небольшая долговечность, низкий КПД и скорости движения, а также невозможность работы и передвижения на площадках и дорогах с усовершенствованными покрытиями. Машины на гусеничном ходу передвигаются своим ходом, как правило, только в пределах строительных площадок, к которым их перевозят автомобильным, железнодорожным или водным транспортом.
Современные конструкции пневмоколесного ходового оборудования (рис. 5.1, б) позволяют развивать высокие транспортные скорости п обеспечивают большую мобильность и долговечность машин, чем гусеничное ходовое оборудование. Пневмоколес-ное ходовое оборудование обычного исполнения снижает, однако, проходимость машин и имеет меньшие тяговые возможности, чем гусеничное. Его можно применять на машинах массой до 120— 160 т, что обусловлено допускаемыми нагрузками на колеса, поэтому указанное оборудование используют на мобильных землеройных машинах, а также на большинстве землеройно-транспортных машин.
Шагающий ход (рис. 5.1, в) обеспечивает невысокие давления на грунт и высокую маневренность, не требует подготовки пути, однако существенный недостаток его— очень малые скорости передвижения, не превышающие 0,5 км/ч. Этот вид ходового оборудования применяют для экскаваторов-драглайнов большой мощности.
Рельсовый ход воспринимает значительные нагрузки, имеет низкие сопротивления передвижению, простую конструкцию, невысокую стоимость и создает предпосылки для высокой точности работы, так как рельсы являются жесткой базой и направляющими машины. Недостатки рельсового хода — малая маневренность, значительная сложность перехода на новые участки работ, дополнительные расходы, связанные с укладкой и эксплуатацией рельсовых путей. Этот вид ходового оборудования применяют на землеройных машинах, длительное время работающих на одном объекте (цепные экскаваторы поперечного копания, роторные стреловые экскаваторы), а также на машинах, выполняющих земляные работы высокой точности (экскаваторы-профилировщики).
§ 5.1. Гусеничное ходовое оборудование
Ходовое оборудование этого вида может быть двух- и многогусеничным. Преимущественно распространены двухгусеничные системы при массе машин до 1000 т. Для машин большей массы используют сложные многогусеничные системы, причем число гусениц доходит до 16 (рис. 5.1, поз. 3).
Гусеничные системы могут опираться на ходовое устройство в трех или четырех точках. Четырехточечные опоры, имеющие меньшие габариты, более простую конструкцию и меньшую массу, наиболее распространены. Трехточечные опоры предусматривают обычно для тяжелых машин и в многогусеничных системах.
Гусеницы различаются степенью приспособляемости к рельефу пути (мягкие, полужесткие и жесткие), возможным наличием гусеничных рам (рамные или безрамные), расположением опорных катков снаружи или внутри (открытые или закрытые), а также положением ведущей звездочки (переднее и заднее). У жестких гусениц (рис. 5.2) опорные катки 8 непосредственно соединены с рамой. Этот гип подвески наиболее прост, дешев; он обеспечивает равномерное распределение давления на грунт, однако применяют такую подвеску лишь при скоростях движения до 5 км/ч, так как жесткая гусеница не приспосабливается к неровностям и не амортизирует толчки и удары при езде по неровной поверхности.
Для лучшей приспосабливаемое™ гусеницы к неровностям грунта применяют опорные катки большого диаметра с большим расстоянием между осями (мягкая малоопорная гусеница), соединяют опорные катки малого диаметра в балансирные тележки (мягкая многоопорная гусеница (рис. 5.1, поз. 2), вводят демпфирующие устройства — пружины или рессоры.
Рис. 5 2 Гусеничный ход
/ — ведущее колесо; 2 — приводная звездочка, 6 — приводной вал, 4 — балансир, 5 — направляющее колесо, 6 — рама; 7 — поддерживающие катки, 8— опорные катки, 9 — звенья
гусениц
В гусеничных тракторах, которые служат базой для землеройных машин, нередко применяют полужесткую подвеску, в которой жесткие гусеницы сзади крепят к раме шарнирно, а спереди через упругие элементы. Такая схема позволяет приспосабливать гусеницы к рельефу местности и улучшает плавность хода.
Звенья гусениц (рис. 5.2) льют или штампуют из стали повышенной вязкости (например, марганцовистой), а пальцы делаюг из более мягкого материала. В некоторых конструкциях в звенья запрессовывают закаленные втулки из легированной стали, что обеспечивает большую долговечность звеньев.
Для воспринятая боковых усилий, возникающих при повороте машин, звенья снабжают двойными или одинарными ребордами. Первые, применяемые при одинарных катках, помещают с их наружной стороны. Чтобы облегчить выдавливание налипшего грунта, реборды чередуют в смежных звеньях, располагая в шахматном порядке. Одинарные реборды помещают посередине звена, устанавливают их при двойных или охватывающих катках.
Для работы машин в зимних условиях или в грунтах, не обеспечивающих необходимого сцепления, на гусеницах применяют съемные шпоры или шипы. Привод гусениц осуществляется ведущими колесами 1 (рис. 5.2). Для зацепления с ведущим колесом используют реборды звеньев или отверстия в них. Для уменьшения напряжения в звеньях ведущие колеса делают многогранными, с числом зубьев не менее восьми. Натягивают гусеницы для компенсации их износа натяжным приспособлением направляющего колеса 5. Ось направляющего колеса закрепляют в ползунах, перемещающихся винтами или гидродомкратами в направляющих гусеничной
В)
а)
©

д)
/ О О

I—о
J“
(—(-
ж
С
С
о

I--Э:-1
о[_[сГ
е)
*
Рис. 5 3. Механизмы передвижения гусеничных и колесных машин или нижней рамы. Ход натяжения принимают в пределах 0,52—0,6 от шага гусеничной цепи. После использования этого хода гусеничную цепь укорачивают на одно звено. Верхняя часть гусеничной цепи опирается на два-три поддерживающих катка. Диаметр направляющего колеса 1)нк принимают обычно равным диаметру вписанной окружности многогранника ведущего колеса. Для машин, работающих на слабых грунтах, предусматривают направляющие и ведущие колеса или только ведущие, как показано на рис. 5.2, меньшего диаметра, поднятые на (0,1-4-0,15) DHK над землей (рис. 5.1, поз. 4). При большем подъеме уменьшается устойчивость машин и применяют его только при очень длинных гусеницах. Максимальный диаметр опорных катков при малоопорной гусенице может быть Dn,K. При многоопорной гусенице диаметр опорных катков принимают (0,2-^0,3) £>нк- Для работы машин на грунтах со слабой несущей способностью начинают применять конструкцию гусеничного ходового оборудования с резинометаллической гусеницей. Такая гусеница, представляет собой специальную резиновую ленту, армированную высокопрочной проволокой с штампованными звеньями. Она имеет меньшую массу, лучше приспосабливается к грунтовым условиям, не нарушает дерновый покров, в результате всего этого значительно улучшается проходимость машин. Конструкция механизма передвижения зависит от типа привода, необходимой скорости и маневренности машин. В гусеничных тракторах и быстроходных землеройных машинах на гусеничном ходу (рис. 5 3, а) для включения и выключения гусениц служат бортовые фрикционы, причем во многих конструкциях левую и правую гусеницы включают в разные стороны, что дает возможность совершать поворот машины на месте. Такие же возможности имеют и машины с индивидуальным приводом гусениц (рис. 5.3, в). В тихоходных машинах на гусеничном ходу (например, в одноковшовых экскаваторах с механическим приводом) ведущие колеса приводятся во вращение зубчатыми и цепными передачами (рис. 5.3, б). Включают и выключают их кулачковыми муфтами, что возможно лишь при остановке машин. § 5.2. Пневмоколесное ходовое оборудование У большинства машин для земляных работ имеется четырехколесное двухосное ходовое оборудование. В конструкциях автогрейдеров, одноковшовых экскаваторов, катков и других машин, имеющих большую массу, применяют ходовое оборудование с 6—8 колесами. В агрегате со скреперами, катками и землевозами применяют одноосные двухколесные тягачи. Важной характеристикой колесной машины является колесная формула, состоящая из двух цифр: первой цифрой обозначают число всех колес, второй — число приводных. Цифры колесной формулы пишут через знак умножения. Наиболее распространены машины с колесными формулами 4X2 (рис. 5.1, поз. 5) 4x4 (рис. 5.1, поз. 6) (экскаваторы, бурильно-крановые машины, погрузчики), 6X4 (рис. 5.1, поз. 7) и 6X6 (рис. 5.1, поз. <5) (автогрейдеры). Чем больше приводных колес, тем лучшей проходимостью и тяговыми качествами обладает машина, но тем сложнее механизм ее передвижения. На свойства пневмоколгсного ходового оборудования существенно влияет конструкция шин (рис. 5.4). На одной машине обычно используют шины одного типоразмера, поэтому нередко на более нагруженных осях (обычно задних) устанавливают сдвоенные колеса. С целью снижения давления на грунт (улучшения проходимости машин) используют шины большого диаметра и широкопрофильные, а также арочные, устанавливаемые вместо сдвоенных колес. Эти шины повышают проходимость и тяговые качества машины благодаря большой опорной поверхности и развитым грунтоза-цепам. Такие шины хорошо работают на слабых, рыхлых грунтах и на снегу. При эксплуатации на прочных грунтах и дорогах с твердым покрытием срок службы арочных шин резко снижается, сопротивление же перемещению машины повышается.
Марка шины обычного профиля состоит из двух цифр со знаком тире между ними. Первое число — ширина Профиля &кол (рис. Рис. 5.4. Типы шин: а — камерные; б — бескамерные; в — типы протекторов; I — для земляных работ; II— для работы в каменных карьерах; III — противобуксую-щие, IV — универсальные; г—арочные; д — основные размеры, е — зависимость допустимой нагрузки на колесо от скорости движения, 1 — покрышка, 2—камера; 3 — ободная лента, 4— вентиль, 5 — полость покрышки, 6 — герметичный обод
5.4, д), второе — диаметр обода й?кол, т. е. внутренний диаметр шины, измеряемый в миллиметрах или дюймах (например, шина 320—508 или 12,00—20"). В обозначение широкопрофильной шины входят три числа в миллиметрах: наружный диаметр Dкол, ширина профиля &кол и диаметр обода dK0л (1500X660X635). В последние годы увеличивается выпуск машин с регулированием давления воздуха в шинах, которое можно производить из кабины машиниста даже при движении машины. При передвижении машин по рыхлому или влажному грунту давление воздуха в шинах снижают, что уменьшает давление на грунт, улучшает проходимость и тяговые качества машины. При передвижении машины по твердым поверхностям давление воздуха в шинах повышают, что позволяет уменьшить сопротивление передвижению и резко увеличить срок службы шин. Для увеличения срока службы шин в тяжелых условиях и улучшения сцепления с грунтом применяют специальные износоустойчи вые шины, а также сетчатые или пластинчатые защитные устройства из легированных сталей. Тип шин выбирают исходя из условий работы машины, нагрузки на колесо и скорости движения в рабочем и трай^поргном режимах. Допускаемые нагрузки на колесо зависят от условий работы и скоростей движения (рис. 5.4, е), влияющих на динамичность работы. Во всех режимах работы машины нагрузки v^ia колеса не должны превышать допускаемые. Пневмоколесное ходовое оборудование машин для земляных работ привод мо5йет иметь механический, гидравлический, электрический и комбинированный. Механический привод предусматривают в машинах на базе пневмоколесных тракторов, на одноковшовых экскаваторах с механическим приводом, автогрейдерах, катках. Наиболее распространен привод ведущих колес, объединенных в мосты попарно, через дифференциалы (см. рис. 5.3, г). Применение межколесных дифференциалов обеспечивает высокие скорости движения и исключает проскальзывание колес при движении. Однако колеса одного моста могут развивать только равные тяговые усилия, причем их максимальная величина определяется условиями сцепления колеса, находящегося в худших дорожных условиях (грязь, лед). Для устранения этого недостатка при движении с низкими скоростями в сложных дорожных условиях при невысоких требованиях к маневренности применяют устройства для блокировки дифференциалов. Трансмиссия без дифференциалов проще по конструкции и позволяет реализовать более высокие тяговые усилия, однако при повороте машины и движении по неровностям колеса проскальзывают вследствие разности скоростей, что ведет к повышенному износу шин и непроизводительным затратам мощности. К отрицательным последствиям приводит также движение машин на высоких скоростях с несколькими ведущими мостами. В хороших дорожных условиях движение производят обычно на одном ведущем хмосту, остальные ведущие мосты отключают. На автогрейдерах применяют привод (см. рис. 5.3, е) сдвоенных задних колес, объединенных попарно бортовыми цилиндрическими редукторами. Корпуса редукторов могут качаться относительно рамы машины, что улучшает сцепление колес с грунтом. В последние годы в машинах для земляных работ широко применяют гидравлический и частично электрический многомоторный приводы с использованием приводных ведущих мостов с дифференциалами и без них, а также индивидуальный привод каждого колеса отдельным двигателем (мотор-колеса). Мотор-колесо (см. рис. 5.3, д) представляет собой автономный блок, состоящий из двигателя, муфты, редуктора, тормоза и колеса. Применение гидропривода с рабочим давлением 16—32 МПа позволяет значительно улучшить параметры привода и размещать его в ступице колеса. Применение мотор-колес упрощает конструкцию трансмиссии за счет исключения коробок передач, раздаточных коробок, мостов, карданных валов, облегчает компоновку машины, увеличивает ее проходимость и маневренность, так как каждое колесо может быть приводным и поворотным. При создании мотор-колес используют низкомоментные высокооборотные гидромоторы в сочетании с планетарными редукторами или высокомоментные гидромоторы без редукторов. Применение регулируемых насосов и гидромоторов, а также специальных гидравлических схем позволяет изменять скорость передвижения машин с мотор-колесами от нескольких метров в 1 ч (рабочее передвижение) до нескольких километров в 1 ч (транспортное передвижение). Для обеспечения необходимых тя-гово-скоростных свойств машин в некоторых случаях, применяют многоступенчатые двух-, трехскоростные планетарные редукторы. Мотор-колеса с такими редукторами называют многоскоростными. Для работы на неосушенных болотах целесообразно предусматривать ходовое оборудование на больших пневмобаллонах, обеспечивающих плавучесть машин. В последние годы создаются специальные ходовые устройства для машин большой мощности. § 5.3. Маневренность машин Под маневренностью машины понимают ее способность изменять направление движения — маневрировать. Маневренность характеризуется радиусами поворота, вписываемостью машин в угловые проезды и шириной площадки, необходимой для обратного разворота. Пневмоколесные машины можно поворачивать с помощью управляемых колес, за счет изменения положения шарнирно-сочлененных рам, разной скорости вращения левых и правых колес (бортовой поворот) и другими способами. Первый способ поворота наиболее распространен, причем управляемыми могут быть передние (рис. 5.5, а), задние или все колеса (рис. 5.5, б). Механизм поворота колес аналогичен автомобильному. Чтобы обеспечить движение без скольжения, колеса при повороте должны катиться по дугам концентрических окружностей. Поэтому угол поворота (Зкол.ви внутренних колес должен быть больше угла поворота Ркол.н наружных. Разные углы поворота достигаются применением рулевой трапеции ABCD. При повороте трехосных машин (автогрейдеры) неизбежно некоторое проскальзывание задних колес. Чтобы уменьшить его, расстояние между задними осями (мостами) сводят до минимума (см. рис. 5.4, е). Маневренность машин повышается с уменьшением радиуса поворота, который зависит от базы машины L0, угла поворота рКол, управляемых колес и их числа. В технической характеристике машины обычно указывают наименьший радиус поворота по наружному габариту машины, переднему гп.п или заднему гп.3, или по колее переднего наружного колеса г'п.п. Наименьший радиус поворота можно определять по фор' мулам: (5.1)
для машин с двумя управляемыми колесами r;,.„=Lo/sin P“0a“cH; для машин с четырьмя управляемыми колесами
Основным недостатком поворота машин с помощью управляемых колес являются трудность получения малых радиусов поворота (обычно 15°<|3^с <40°), сложность механизма поворота колес Рис. 5.5. Схемы поворота машин: а — с двумя управляющими колесами; б — с четырьмя управляющими колесами; в — с шар-нирно-сочлененной рамой; г — с бортовым поворотом (особенно для машин со всеми управляемыми колесами) и затраты полезного объема машины на размещение поворотных колес. Последний недостаток особенно существен при колесах большого диаметра. От этих недостатков во многом свободна система поворота машин с шарнирно-сочлененной рамой, состоящей из двух полурам, передней и задней, которые могут поворачиваться относительно друг друга (рис. 5.5, в). Такая схема поворота предусмотрена у машин на базе мощных двухосных колесных тракторов и тягачей (погрузчики, бульдозеры), а также агрегатов, состоящих из одноосных тягачей и прицепных рабочих машин (скреперы, катки). В машинах с шарнирно-сочлененными рамами угол складывания может достигать 90°, чем обеспечиваются минимальные радиусы поворота. Для машин с шарнирно-сочлененными рамами rn.n=(L*.n c°s Р“кс +-4b3)/sin ^кс + 5о/2;    (5.3) rn.3 = (zn.i, + 4i.3 cos fi“acKC)/sin ^аскс + £0/2.    (5.4) При Ln.n=Ln.3 имеем r's,.n =г'п.3. К недостаткам схемы поворота машины с шарнирно-сочлененной рамой следует отнести необходимость специального приводного (обычно гидравлического) механизма поворота полурам, так как для поворота требуются большие усилия, а также меньшую поперечную устойчивость машин и большие нагрузки на колеса, поскольку при повернутых полурамах уменьшается координата центра тяжести машин относительно внутренних колес. У машин с бортовым поворотом направление движения изменяют за счет разности окружных скоростей наружного (забегающего) у3аб и внутреннего (отстающего) v0T бортов. Радиус поворота г'пп по колее переднего наружного колеса для этих машин определяется по формуле L\    1 Гг,.„ = -
^заб Н od2 С^заб^от) '    (5-5) ^заб ^от L    *^0    J При полностью заторможенных колесах внутреннего борта иот = 0 и гп.п =В0 + L02/(2B0). При движении колес наружного и внутреннего бортов с равными скоростями в противоположных направлениях v3^ =—-v0t и г'пи=В0/2, т. е. обеспечивается минимально возможный радиус поворота (поворот на месте). Машины с гусеничными движителями поворачиваются за счет разной скорости движения гусениц, остановки одной из них или движения в другую сторону. Вписываемость машины в прямоугольный угловой проезд, что особенно важно при строительных работах в стесненных условиях, рассмотрим исходя из предположения, что направление движения управляемых колес при входе в поворот и при выходе из него изменяется мгновенно на максимальный угол, который при криволинейном движении остается постоянным. При этом машина движется с минимальным радиусом поворота, возможным по ее конструктивным особенностям. Минимальную ширину входного Ввх и выходного Ввых проездов определим из условия вписывания машины в угловой проезд без зазоров (габаритные точки машины касаются границ проезда). В процессе поворота (рис. 5.6) внутренняя габаритная точка машины 6 описывает дугу S62, которая определяет внутренние границы углового проезда, отсюда (ЛС)* + (ЯС)2=гп.вн=(гп - 0,5 ад,    (5.6) где
AC — rIU3 — Ввх, a DC--Подставив значения АС и ВС в формулу (5.6), получим (N.3 - £вх)2 + (гп.и - Вяых)*=(гп - 0,5Вv)2
гп.п 1/А(Гп 0>5.вм)2-
-ГП.и
(5.9)
или
■В )2 ‘-'«к) •
Габаритные передний гпп и задний гпз радиусы поворота указывают в технических характеристиках машин или определяют пересчетом на основании известных данных: радиуса поворота по продольной оси машины гп, ширины машины Вм, расстояния от ведущей оси до передней Ln и задней L3 габаритных точек машины и др. При этом нужно учитывать реальную схему поворота машины, конфигурацию машины в плане, а также возможность ее разборки или уменьшения габаритов при транспортировке (демонтаж шнеков, конвейеров, оттяжек, противовесов и др.). Рис. 5.6. Вписываемость машин в прямоугольный угловой проезд
Для машин, имеющих в плане форму прямоугольника (рис. 5.6), габаритные радиусы поворота можно определять по формулам (5.10) —(5.13): где Ln—L0n+ Со
Для машин с задними управляемыми колесами 1ОП=0; Ьп=Соп;    (5.11) гд.з — Iх L23-\- (гп —0,5Z?M)2,    (5.12) где L3=Lo3+C03. При наличии передних управляемых колес Z03 = 0; L3 = C03.    (5.13) Выражение (5.8) представляет собой уравнение окружности радиусом гп.вн = Гп—0,5.6ц с центром в точке с координатами гп.п и гп.3. Пределы применения формулы (5.8) следующие: Гп.з — (^п — 0,5£м)<£вх< гд.3;    (5.14) •’■п.п - (^п — 0,5£м) < Ввых < гп.п.    (5.15) Графическое решение на рис. 5.6 и рассмотренные формулы описывают, таким образом, лишь фазу кругового поворота машин. Теоретические и экспериментальные исследования показалй, для машин, у которых La<BM, можно принимать: что
- (гп - 0,5£J 1,05-V-1,2) (5.16)
Ва
•^вых ^вых Макс (5.17)
Исключение представляют машины с большим задним свесом (навесные экскаваторы) и машины с задними управляемыми колесами (одноковшовые погрузчики). Для этих машин (5.18)
L3>Ba, Ввх мин^"п.з (гп 0,5Ви), причем можно принять В nv ЛТт; I — rn.n -j-2Z,3
\,2ВЫ при Вв
Ширину выходного проезда можно уменьшить, если поворачивать машину так, чтобы ее точка а после достижения положения а\ двигалась по внешней границе выходного проезда (по прямой й\йз). При этом ширину выходного проезда с достаточной для практических целей точностью можно определить по формуле 1,2Вм при Вв
-Ва
Ва
, + 1,5 Ьп. (5.20)
В решении вопросов по улучшению маневренности машин значительную помощь могут оказать характеристики вписываемости их в прямоугольный проезд, построенные на основании формул (5.7) - (5.20). Для построения характеристики (рис. 5.7) по оси абсцисс откладывают ВеЛИЧИНЫ Ввх мин, /"п.з И Въх макс ~ fu.3 1,5-Ln, & ПО ОСИ ОрДИНаТ — ВеЛИЧИНЫ -Ввых мин, ^п.п И Ввых макс — Гц.з “Н 2L,3. Затем ПрО- водят дугу окружности радиусом ги.ън=гп—0,5ВМ с центром в точке О с координатами гп.3 и гп.п. Из точки Д с координатами ВБЫ1 ™i и ^вхмакс = Гл.з + l,5Ln строят отрезок прямой, параллельный оси абсцисс. Апроксимируя кривую КК (см. рис. 5.6) к прямой, из точки D проводят касательную к окружности с центром в точке О. Аналогичные построения выполняют из точек А и М.
Граничная кривая АМИД характеризует маневренность машин с небольшим задним свесом (при L3^5„), кривая АНД — маневренность машин с большим задним Рис. 5.7. Характеристика вписываемости машин свесом (при L3^>BM) и с в проезд    задними управляемыми колесам^и. Перелом граничной aj кривой в точках А, М и Д объясняется тем, что переходные кривые аппроксимированы к прямым. Заштрихованная область над кривой соответствует «полю вписываемости». Это означает, что машина впишется в прямоугольный проезд в том случае, когда точка, характеризующая угловой проезд с координатами ВЕХ, Ввых, будет находиться над кривой, харак- ^ теризующей вписываемость данной машины (например, точка Ж). Характеристика вписываемости дает наглядное представление о маневренности машин: чем меньше незаштрихованная часть графика, тем она манев-реннее. Если принять оси координат за внешние границы угловых проездов, то кривая маневренности (граничная кривая) будет геометрическим местом точек вершин внутренних границ угловых проездов, в которые можно вписывать машины. По этому же графику, проведя через начало координат луч под углом 45° к оси абсцисс, легко определить величину минимального равноширокого прямоугольного углового проезда, в который вписывается машина.
Рис. 5.8. Условия разворотов машин: г — обратный разворот и поворот на угол 180°; б — та же, более 180° без маневрирования
Определенные по характеристикам вписываемости размеры проездов требуется увеличить на удвоенный зазор безопасности (габарит приближения). С учетом малых скоростей движения в стесненных условиях зазор безопасности можно принимать в пределах 0,1—0,5 м (меньшие значения указаны для малогабаритных машин и менее сложных случаев определения маневренности). Обратный разворот машин возможен (рис. 5.8, а) при ширине площадки не менее 5pa3=rn.n+L3. Подставив сюда значения гип из формулы (5.10), получим в
(5.21)
раз
= K^ + (rn + 0,5i?J2 + Z3
Для машин, работающих в городских условиях и на дорогах, требуется также определять размеры площадки для обратного разворота машин. Для машин с передними управляемыми колесами '®раз.п==гп.п + С’оз= У ■^оп_Кгп4' 0>5fi0n)2-j- С0^ (5.22) для машин с задними управляемыми колесами Враз.з — Кии + Cq3 = гп + 0>550п + С0з,    (5.23) где В0п — колея передних колес. Ширину площадки для обратного разЕорота можно несколько уменьшить путем многократного маневрирования. Повернуть машину на угол 180° и более без маневрирования (рис. 5.8, б) можно при ширине площадки не менее Б = г,г п —!“• гп о. раз 1Г*П 1 п.з Подставив значения гп.п и гпз из формул (5.10) и (5.12), получим B^ = VLl-r (ГП + 0,55М)2 + >А^+ (г„ +0,5ад. (5.24) Если гпп>^пз, ТО = 2г„.„ = 2 |/Р + (ги + 0,55м)2. Повернуть машину с передними управляемыми колесами на угол 180° и более без маневрирования (по колесам машины) можно на площадке шириной не менее ^аз.п = <ч + г;з-/1йЧ^ГОЖ7+гл + О,5В0з. (5.25) Если Гп.з>Гп.„’ Т0 ^а3.п==2Гп.3 = 2гп + £о3. Для машин с задними управляемыми колесами соответственно ^раз.з = Гп.п + Лп.з = Гп + 0,5^03 + V В20з+ (гп + 0,550з)2. (5.26) Если Г„.з > Гп.п , то ^аз.з = 2г;.з= 2 у Ц3 + (гп + О,5В0з)\ где Воп, Воз — колея передних и задних колес. § 5.4. Давление ходового устройства на грунт Одной из важных характеристик машины для земляных работ является давление ее ходового устройства на грунт, которое определяет проходимость машины. Определение давления ходового устройства на грунт относится к многократно статически неопределимой задаче, решение которой зависит от степени податливости грунта, жесткости элементов несущей конструкции машины и самих опорных элементов и др. При решении практических задач обычно принимают, что грунт и контактирующие с ним элементы ходового устройства податливы, а несущая конструкция машины абсолютно жесткая. Рассмотрим случай нагружения ходового устройства машины с поворотной частью, на которую в точке 02 (рис. 5.9) действует сила Р, являющаяся результирующей весовых и рабочих нагрузок. Поворотная часть вращается относительно ходовой части вокруг вертикальной оси 0\. Эта схема характерна для одноковшовых экс Рис. 5.9. Схемы к определению нагрузок на ходовое устройство: а — пневмоколесное; б — гусеничное каваторов и роторных веерного копания. Давление ходового устройства на грунт различное у машин на пневмоколесном и гусеничном ходу, причем следует учитывать, что поворотная часть машины может поворачиваться относительно ходовой части на любой угол, т. е. 0>рп.ч>360°. Для машин на пневмоколесном ходу определим нагрузку на колеса от поворотной части при условии, что сила Р направлена вертикально и машина опирается на четыре колеса (рис. 5.9, а). Результирующую Р приведем к центру опорного контура (точка О), заменив ее вертикальной силой Р, действующей в точке О и моментами в двух плоскостях: где /п.ч — смещение центров поворотной и ходовой частей. Нагрузку на колесо от поворотной части найдем по формуле (5.27)
р,
кол
Р МУо Мх 1- ± Of. ±
4 - 2Lq - 2В0 '
Нагрузки на колеса машины соответственно будут равщй: р Р , Р (I cos рп.ч 4-/„.ч) , PI sm р„.ч Р (1 cos р!п.ч 1 PI sm fS„.4 Р (1 COS Эп.ч Р (1 cos ,3„.ч PI sm Зп.ч -о
Здесь буквами D, С, В, А обозначены колеса машин. При транспортном передвижении машины поворотная часть располагается вдоль ходовой, т. е. угол рПч=0. В этом случае п — Р \ PV+l П.ч) . р    Р Р{1+1и.ч) ‘ A, D—■—;--1--—-, У В. С —■— ■ ■■ 2L0    4    2L0 Для определения угла поворота рн.чКС, при котором давление на наиболее нагруженное колесо D от нагрузок поворотной части достигает максимума, возьмем первую производную от нагрузки Pd по рп.ч и приравняем ее нулю: -ДзшСс , Р1* озРяТ _0 2Ln    1 2Вп Отсюда находим 8Ш    _ COS Р”ачКС L0    Bq tg?“a4KC=Zo/^o-    (5.28) Этому положению соответствует поворот, при котором радиус I расположен перпендикулярно диагонали EF, соединяющей середины опорного контура. Кроме нагрузки от поворотной части на опорные колеса действует постоянная нагрузка от неповоротной части машины — ее вес Gx. Полную нагрузку на колеса находят как сумму нагрузок от поворотной и неповоротной частей машины. Для многих машин можно принимать, что нагрузка от неповоротной части распределяется по колесам равномерно, тогда полная нагрузка на колесо составит Р Gх Мцп Мх Ко. =-± -2Z7 ± W    ^27'} При взаимодействии колеса с пневматической шиной с опорной поверхностью деформируется и поверхность и колесо, причем форму площадки их взаимодействия (контакта) можно рассматривать как эллипс. Давления на поверхности контакта распределяются неравномерно, поэтому следует различать средние и максимальные контактные давления. Средние контактные давления определяют в предположении равномерного распределения давления по поверхности контакта: Р *    4- рх о —-=-i»L_ ,    (5.29) яаЬ/4    nab где PL —полная нагрузка на колесо; а и b — оси эллипса контакта. Максимальные контактные давления действуют на отдельных участках контактной поверхности; при качении колеса они определяют деформацию грунта и обусловливают проходимость машины. В зависимости от давления воздуха в шине и нагрузки на колесо эпюры распределения давлений по осям эллипса различны Для расчета максимального напряжения при контакте шины с поверхностью любой жесткости можно использовать формулу Н. М. Беляева; амакс= 1/2Р:ЛЛ2ЬКОЙ0КОЛ {k, + k2)],    (5.30) где k\ и k2 — коэффициенты упругости поверхности, по которой движется шина, и самой шины. Для большинства шин строительных и дорожных машин стМакс = = (1,34-2,0) аср (большие значения принимают для больших нагрузок на колесо), что нужно учитывать при определении проходимости колесных машин. При жестком многоопорном гусеничном ходе (рис. 5.9, б) обычно /Пч = 0, и контактные давления в характерных точках А, В, С и D от нагрузок поворотной части составляют „ _ Р    sin [3 г-ч ^ PI COS Рп.ч    ^ 31) F ~    Г,    -    Wy где Wx = LorBryZ (1—&3)/6 — момент сопротивления опорного контура гусеничного хода относительно оси х, причем k = (Втус—• —26гу(.)/Вгус; Wv = L2rbTyc/3 — момент сопротивления опорного контура гусеничного хода относительно оси у; F — площадь опорного контура, F = 2L0Tbryc; Lor — база гусеничного хода (расстояние между осями ведущего и направляющего колес). Принимая нагрузку от ходовой части Gx распределенной равномерно, получим формулу для определения полного контактного давления в характерных точках- —Х+/Э ' ^ Sin Э ,.ч [ Pi COS ?„.ч    (5 32) F ~    Wx    -    Wy Угол поворота Рп.ч'с , при котором контактное давление в наиболее нагруженной точке А, В, С и D достигнет максимума, опре делим из условия a' = do/dfin.4=0. Решим задачу для точки D-. PI COS fi™KC    PI sin (5.34)
Отсюда tgp-aKc = WJWX. Наибольшая нагрузка на одну из гусениц возникает при установке поворотной части поперек ходовой, т. е. при |Зп.ч = 90°. При этом контактное давление o = {Qx + P)IF ±Pl/Wx.    (5.35)
шшш
A.D
ж в, с

L
ш
Рис. 5 10 Контактные давления под гусеницей: а — при опиранип на грунт полной длиной; б — то же, части гусеницы Для многих землеройных машин (бульдозеры, роторные и цепные траншейные экскаваторы) все нагрузки на ходовое устройство (весовые, усилия резания и тяговые) можно принять симметричными и действующими в плоскости х—х. Считая, что равнодействующая всех нагрузок Р* приложена на плече I (рис. 5.10), получим 3 Р*1
. (5.36)
а — Oj-J-o2
+
2£о.г^гус
L0. Г *гус
F
Р*    РП +
Wu
Конец гусеницы отрывается от грунта при cti = стг- Тогда Р*    3P*l    Ln (5.37)
2io.r^ryC
о .г "rye чем определяется граница ядра сечения опорного контура. Когда равнодействующая всех рабочих нагрузок выходит за эти пределы, в контакте с грунтом находится лишь часть гусеницы (рис. 5.10, б). При этом эпюра давлений приобретает треугольную форму. Учитывая, что линия действия равнодействующей R давления грунта на опорную поверхность гусеничного хода должна про- ходить по линии действия нагрузки Л*, можем принять f=Lor/2— —US. Отсюда длина участка опирания гусеницы на грунт будет равна /о.п = 3£0.„/2-3/.    (5.38) При этом максимальное давление на грунт можно найти исходя из равенства внешней нагрузки и равнодействующей давления грунта: P\=R=2bTyZ -j-34aKAn=3,?KAJC (-f- ion-3/) , (5.39) откуда ,, ,9 ~— •    (5.40) О^гус (^Оп/^- 0 Для более точного определения контактных давлений необходимо учитывать характеристики грунта и конструкцию гусеничного хода. § 5.5. Тяговые возможности движителя и сопротивление передвижению машин Колесный или гусеничный движитель землеройной машины преобразует подводимый к нему от двигателя крутящий момент в силу тяги машины. При движении колеса в зоне взаимодействия его с опорной поверхностью увеличивается неравномерность контактных давлений, и их эпюра смещается в направлении движения (рис. 5.11). Это явление объясняется гистерезисными явлениями деформации шины, опорной поверхности и связанными с ними потерями энергии.
Рис. 5 11 Взаимодействие пневмоколес с грунтом. а — ведущего, б — ведомого Вследствие несимметричности эпюры контактных давлений (нормальных напряжений) а точка приложения их равнодействующей бывает смещена от вертикали, проходящей через ось колеса на величину А в сторону направления движения. Угол наклона равнодействующей Ra зависит от характера поверхности контакта. Касательные напряжения т возникают из-за трения колеса по опорной поверхности. Если принять коэффициент трения постоянным и равным [Xi, то в каждой точке контакта будет соблюдаться равенство т = ща. Касательные напряжения распределяются аналогично нормальным, причем считают, что их равнодействующая Rx приложена в той же точке, что и равнодействующая Ra. Кроме реакций Re и Rx на ведущее колесо действуют: нагрузка на колесо РКол, крутящий момент Мкол, подведенный от трансмиссии, а также реакция рамы машины Рр.м, равная по величине и обратная по направлению силе тяги колеса PT.KOn. Условия равновесия ведущего колеса (рис. 5.11, и) следующие: ^д: —0; /?« —/?« —/?р.м = 0; ^у = 0; Rry~ R.y —Ркоя — 0; = Мкоч-\- RaxrА— Rtxr х ' R°y^- " = Мкол Т {Rax ~~ — Rix) rA — (Ray 4- Riy) А = 0.    (5.41) Отсюда сила тяги колеса ^Т. К0Л = = Rrx — Rax',    (5.42) нагрузка на колесо Лсол =RayJrR‘zy    (5.43) Расстояние гд от линии действия силы тяги Рт.Кол до центра колеса О, называемое динамическим радиусом колеса, зависит от нагрузки на колесо, давления воздуха в шине, состояния опорной поверхности, по которой колесо движется, и др. С достаточной для практических целей точностью динамический радиус колеса с пневматической шиной можно принимать равным статическому радиусу гст — расстоянию от центра колеса до опорной поверхности при расчетной нагрузке на шину. Значения гст приводятся в характеристиках шин с учетом давления в них и нагрузки на колеса. Подставив значения Рт.кол и Ркол в уравнение 'ZM = 0, получим •^кол = Р т.кол^ д + РКолА, а разделив на гя — ^кол/Гд=-/°г. K0.1_l_jDкол^ДЧ-    (5.44) Обозначим Мкол/Гд — окружная сила ведущего колеса; А/гд = / — коэффициент сопротивления качению (передвижению). Тогда окружная сила ведущего колеся определится как ^0 = R-i. колЧ’/^кол’    (5.45) т. е. под действием окружной силы ведущего колеса преодолеваются сопротивления качению (передвижению) и создается сила тяги. Аналогично определяют силу тяги гусеничного движителя исходя из момента на валу приводного колеса и его радиуса. К ведомому колесу (рис. 5.11, б) крутящий момент не подводится, и движение колеса обеспечивается за счет силы R р.м> передаваемой от рамы машины. Условия равновесия ведомого колеса: vx=o; ^м_^_/?ОЛГ=0; — РкоЛР°у—^=0; 2УИ = 0; — [Ray — RxlJ) А + (Rax R*x) гд=0. (5.46) Отсюда p™*=R°y R^y'' Р$мГ и = Рр,м = Р'кол^/Гл = Ркол/’    (5.47) т. е. к оси ведомого колеса необходимо приложить силу, достаточную для преодоления сопротивления качению (передвижению). Окружная сила и сила тяги ведущего колеса или гусеницы зависят от величины подводимого к колесу крутящего момента Л4К0Л, который равен Мкоя=Мл1х1]х-^—,    (5.48) где'Мд — крутящий момент двигателя; ix, "Их— соответственно передаточное число и КПД ходовой трансмиссии от двигателя к движителю; пкол — число приводных колес. Наибольшие значения окружной силы и силы тяги, определенные при максимальном крутящем моменте двигателя, называют окружной силой и силой тяги по двигателю 50.д и Рт.д. Максимальные значения окружной силы и силы тяги ограничиваются реакцией грунта (условиями сцепления), которая зависит от силы трения колеса (гусеницы) по опорной поверхности и силы зацепления грун-тозацепов протекторов. Наибольшая возможная по условиям сцепления окружная сила ведущего колеса или гусеницы равна 50.сд=^Лол + Пац,    (5-49) где [XI — коэффициент трения по опорной поверхности; Гзац — сумма проекций сил зацепления грунтозацепов протекторов или гусеницы. Уравнение (5.49) можно представить в следующем виде: So. сц= -!Х1Яко; + 7'зац РХол=(^ + Тзац1'Ркол) РК0Й = <?РК0Я. (5.50) Коэффициент ф = 50.сц/Ркол = Ц1 + 7’зац/Ркол называют коэффициентом сцепления. Основное влияние на его величину оказывают: характер и состояние опорной поверхности, конструкция шины (гусеницы), давление воздуха в шине и буксование колеса (гусеницы). На твердых опорных поверхностях, в которые грунтозацепы не погружаются, коэффициент сцепления определяется только от трения по опорной поверхности. Коэффициент трения щ зависит ог материала опорной поверхности и ее состояния. При движении машины по мокрым, грязным, а особенно заснеженным и обледеневшим поверхностям коэффициент трения, а с ним и коэффициент сцепления резко снижаются. На деформируемых грунтах, где действуют как силы трения, так и силы зацепления, с повышением влажности коэффициент сцепления также снижается, так как при этом уменьшаются коэффициент трения и силы зацепления. Повысить коэффициент сцепления можно установкой колес и гусениц со специальными грунтозацепами, а также шин низкого давления, у которых увеличивается площадь контакта и вовлекается в работу большее число грунтозацепов. Оценить влияние на коэффициент сцепления различных факторов затруднительно. Поэтому в практических расчетах пользуются средними данными, полученными экспериментальным путем в различных условиях (см. табл. 5.1). Таким образом, движитель землеройной машины развивает окружную силу, величина которой определяется мощностью (крутящим моментом) двигателя, передаточным числом, КПД трансмиссии и ограничивается сцеплением движителя с опорной поверхностью. Для того чтобы землеройная машина могла двигаться, суммарная окружная сила всех движителей (приводных колес, гусениц) машины, получаемая от двигателя, Е50д должны бьпь больше суммы всех сопротивлений ее движению 2Р и меньше суммарной окружной силы всех движителей по условиям сцепления 2S0 С1,: 2 So.™ >2 *^>2 Я- (5.51)
Если окружная сила движителей больше суммы сопротивлений движению, но меньше суммарной окружной силы по условиям сцепления, движители полностью буксуют: 250.сц<250л>2#- (5.52)
В том случае, когда окружная сила недостаточна для преодоления всех сопротивлений движению и меньше суммарной окружной силы по условиям сцепления, машина двигаться не сможет и двигатель заглохнет: (5.53) Номинальные тяговые усилия машин Pf™ (силы тяги, которые могут быть реализованы при движении машин по плотному грунту при коэффициенте буксования не более 7% У гусеничных и 20% у колесных тягачей) являются важнейшими характеристиками. По их величинам тягачи подразделяют на классы. § 5.6. Тяговые расчеты Окружная сила движителей землеройной машины расходуется на обеспечение рабочего усилия Рраб и преодоление сопротивлений передвижению (качению) Ruep, инерции при разгоне /?и, воздуха RB, от уклона местности Ry и повороту RUos' 2 R = Рраб + /?пер -j- + RB ± Ry + R„0B•    (5.о4) Рабочее усилие машин для земляных работ Рраб зависит от характера выполняемых работ, категории грунта, типа рабочего органа и др. Данные для его определения приведены в последующих главах при описании различных машин для земляных работ (бульдозеров, автогрейдеров и др.). Сопротивление передвижению машины Rnev определяют по формуле /?пср=/0-    (5-55) На коэффициент сопротивления качению (передвижению) f влияет большое количество факторов, и аналитическое определение его затруднительно. В разнообразных эксплуатационных условиях сопротивления качению колес машин оказываются различными, Так, передние колеса экскаватора обычно перекатываются по рыхлому грунту, а задние по более уплотненной колее передних колес, правые колеса автогрейдера могут двигаться по рыхлому грунту обочины, тогда как левые — по асфальту и др. Поэтому на практике для расчета сопротивления качению (передвижению) пользуются средними значениями коэффициентов f, считая их одинаковыми для всех колес машины (табл. 5.1). Аналогично определяют величины сопротивления передвижению машин с гусеничными движителями. Разгон машины обычно производят при отсутствии рабочего усилия (сопротивления), не на подъеме и не при повороте. Сопротивление воздуха при невысоких скоростях движения машин мало и его можно не учитывать. Сопротивление движению машины от уклона местности определяют по формуле Ry— + sin ам,    (5.56) где ач — угол подъема пути (местности). Знак « + » соответствует движению машины на подъем, знак «—» под уклон. Для малых углов можно принимать sin a4^tgau^/VI. Сопротивление повороту колесных машин, передвигающихся по твердым основаниям, обычно не учитывают. При езде по рыхлому грунту можно принимать Рпов=(0,25-0,5)/?пер.    (5.57) Для поворота машины на гусеничном ходу тяговое усилие забегающей гусеницы должно быть достаточным для преодоления Значения коэффициентов сопротивления передвижений и сцепления Вид опорной поверхности Пневмоколесный движшель Гусеничный движитель Шины высокого давления Шины низкого давления Асфальт (сухой) 0,015—0,02 Грунтовая дорога: сухая, укатанная 0,02—0,06 0,025—0,035 0,06—0,07 грязная, влажная 0,13—0,25 0,1— 0,3 0,15—0,2 0,15—0,25 0,12—0,15 Грунт; рыхлый, свежеотсыпанный 0,20—0,30 0,07—0,1 слежавшийся, уплотненный 0,10—0,20 0,10—0,15 Пссок: влажный 0,06—0,15 0,05—0,1 сухой 0,25—0,3 0,2—0,30 0,15—0,2 рыхлый 0,15—0,2 0,1—0,30 0,1—0,25 0,25—0,35 укатанный 0,05—0,1 0,25—0,3 0,03—0,05 0,04—0,06 Болото Бетон 0,015—0,02 сопротивлений, которые определяются трением заторможенной гусеницы по грунту, затратами энергии на срезание и смятие грунта гусеницами и др. Приняв погонную нагрузку от гусениц на грунт постоянной и равной p = GM/2L0r, а эпюру поперечных сил, действующих на гусеницы при повороте, в форме прямоугольника, определим момент сопротивления повороту двухгусеничной машины: где |хп — коэффициент сопротивления повороту. Значения коэффициента jin можно принять: для бетона и сухого плотного грунта равными 0,5, для плотного влажного грунта — 0,35, для рыхлого влажного грунта — 0,80. Сопротивление повороту (5.59)
4 (Вгус- ^гус) Для более точного определения сопротивления повороту учитывают конструкцию ходового оборудования, радиус поворота, взаимодействие с грунтом и др. Тяговые расчеты машин для земляных работ выполняют для различных условий работы и транспортирования при реальных комбинациях нагрузок. В рабочих режимах можно не учитывать сопротивление подъему и повороту, так как копание не производится на поворотах и подъемах. Сопротивление передвижению в этих расчетах следует принимать по условиям копания: 2Яр=Л>ав+/Ср=/>ра6+/*ои, (5.60)
где f* — коэффициент сопротивления передвижению при копании. В транспортных режимах не учитывают рабочие усилия (сопротивление копанию), сопротивление передвижению принимают по дорожным условиям, причем одновременное действие сил сопротивления от подъема и поворота исключается, так как при необходимости повернуть машину на подъеме можно движением гусениц в сторону уклона. Исходя из мощности двигателя, определяют тяговые усилия на различных скоростях, преодолеваемые подъемы, возможность поворота в различных условиях и др. В необходимых случаях мощность двигателя увеличивают или устанавливают отдельный двигатель хода (например, для передвижения с высокими транспортными скоростями). Ходовое оборудование является одной из основных частей машин для земляных работ и во многих случаях определяет их работоспособность и технические возможности, поэтому вопросам его совершенствования уделяют большое внимание. Так, наряду с улучшением свойств гусеничного и пневмоколесного ходового оборудования создаются новые типы ходовых устройств, предназначенных для увеличения тяговых возможностей и проходимости машин. ГЛАВА 6 ОДНОКОВШОВЫЕ ЭКСКАВАТОРЫ Одноковшовый экскаватор — это самоходная землеройная машина с рабочим органом в виде ковша, предназначенная для разработки грунтов и перемещения их на определенные расстояния в транспортные средства или отвал. Одноковшовые экскаваторы относят к числу наиболее распространенных машин: их широко применяют в гражданском, гидротехническом и транспортном строительстве. В рабочем цикле одноковшовых экскаваторов за наполнением ковша следует подъем его и перемещение к месту разгрузки, разгрузка ковша, возврат порожнего ковша к месту забоя, опускание его в исходное положение для следующего цикла. После выполнения нескольких рабочих циклов экскаватор перемещается для копания следующих объемов грунта. Он должен перемещаться также на большее расстояние при смене объектов работ. Рис 6.1. Принципиальная схема одноковшового экскаватора с механическим приводом и оборудованном прямой лопатой:
1 — ходовая часть; 2 — поворотная платформа, 3— силовая установка, 4 — опорно поворотное устройство; 5 — двуногая стойка; механизмы: 6 — стрелоподъемный; 7 — поворотный; 8 — подъемный, 9 — напорный, 10 — канатный напор, И — рукоять, 12 — ковш, 13 — стрела
В качестве примера рассмотрим конструкцию одноковшового экскаватора с механическим приводом (рис. 6.1). Он снабжен рабочим оборудованием экскаватора, состоящим из рукояти, ковша и стрелы, установленными на поворотной платформе. Платформа с помощью опорноповоротного устройства опирается на ходовую часть, через которую нагрузка передается на грунт. Экскаватор имеет следующие механизмы: подъема ковша, напорный для выдвижения ковша, стрелоподъемный для изменения положения стрелы, поворотный для поворота верхней платформы с рабочим оборудованием, для передвижения. Привод механизмов осуществляется от силовой установки, а их включение — соответствующей системой управления. § 6.1. Классификация и виды рабочего оборудования Одноковшовые экскаваторы по количеству видов рабочего оборудования подразделяют на следующие типы: неуниверсальные, которые имеют, как правило, один вид рабочего оборудования (прямая, обратная лопаты или драглайн), полууниверсальные, имеющие два-три вида рабочего оборудования (прямая и обратная лопата, драглайн), и универсальные, имеющие более трех видов ра- Рис. 6.2. Основные виды рабочего оборудования одноковшовых экскаваторов: а —прямая лопата; б—обратная лопата; в — драглайн; г — кран; д — грейфер; Н\ — высота (глубина) копания; Я2 —высота разгрузки (подъема); п — радиус копания; г2 — радиус выгрузки бочего оборудования (прямая и обратная лопаты, драглайн, грейфер, кран и др.). Прямую лопату (рис. 6.2) используют для копания грунта выше уровня стояния экскаватора. Это оборудование применяют для рытья котлованов и больших выемок, возведения насыпей с доставкой грунта транспортными средствами, разработки карьеров и т. п. Обратная лопата (рис. 6.2, б) и драглайн (рис. 6.2, в) служат для разработки грунта, находящегося ниже опорной поверхности самого экскаватора. Их применяют при рытье котлованов, траншей, каналов, выемок. Драглайном, кроме того, можно возводить насыпи из боковых резервов и выполнять вскрышные работы. Г рейферы (рис. 6.2, (5) обычно имеют экскаваторы малой и средней мощности с вместимостью ковша до 2 м3. Это оборудование применяют для рытья глубоких котлованов (колодцев) в малосвязных грунтах и для перегрузки сыпучих материалов (песка, щебня, гравия, угля и др.). Крановое оборудование (рис. 6.2, г) монтируют на экскаваторах с емкостью ковша до 8 м3, а также для выполнения погрузочно-разгрузочных и строительно-монтажных работ. В качестве стрелового оборудования используют как обычные, так и удлиненные стрелы со вставками и надставками (наголовниками или гуськами). Это позволяет увеличить подгабаритное пространство и число крюков. При вертикальном расположении стрелы с дополнительным наголовником используют как гусеничный башенный кран. Кроме указанных видов рабочего оборудования для планировки и зачистки площадок и откосов используют струг. Им обычно оснащают экскаваторы с емкостью ковша до 1 м3. Оборудование скребка от оборудования струга отличается тем, что вместо ковша применен отвал. Его используют для планировочных работ и засыпки траншей. Применяют также рабочее оборудование узко специального назначения: корчеватель пней, копер для забивания свай, каток для укатки грунта на откосах насыпей и др. У гидравлических экскаваторов имеются специфические виды рабочего оборудования. К ним относят грейферы, жестко связанные с элементами рабочего оборудования, позволяющие разрабатывать тяжелые грунты. Некоторые виды этих грейферов могут образовывать выемки колодцевого типа. К специфическому виду оборудования гидравлических экскаваторов относят планировочное с телескопической и шарнирно-сочлененной стрелами. Современные гидравлические экскаваторы снабжают разнообразным сменным оборудованием. На некоторых машинах номенклатура достигает 20 видов. Большая часть сменного рабочего оборудования одноковшовых экскаваторов имеет жесткую кинематическую связь с машиной (прямые и обратные лопаты, струги, планировщики и др.). Драглайны и краны имеют гибкую связь ковша с машиной. Из всех видов рабочего оборудования одноковшовых экскаваторов наиболее применимы прямая и обратная лопаты вследствие их универсальности и высокой производительности. Рабочий цикл у экскаваторов с разным рабочим оборудованием различен. Если принять его длительность у прямой лопаты за единицу, то у обратной лопаты она составит 1,15, а у драглайна — 1,20. У обратной лопаты это объясняется невозможностью совмещения операций подъема и поворота до полного выхода ковша из забоя. Большая длительность цикла драглайна объясняется большим вылетом оборудования, увеличением времени копания и поворота, а также сложностью управления. Рабочее оборудование прямой и обратной лопат у экскаваторов с ковшом вместимостью 15,15—0,4 м3 монтируют, как правило, из унифицированных элементов. В зависимости от назначения различают одноковшовые экскаваторы строительные, карьерные, вскрышные и специальные. К строительным относят универсальные и полууниверсальные экскаваторы с ковшами вместимостью от 0,15 до 4,0 м3 и массой машин от 1,5 до 140 т. Основное назначение машин этой группы •— выполнение земляных работ в грунтах I—IV категории, строительномонтажные и погрузочно-разгрузочные. При работе в легких грунтах можно применять сменные ковши увеличенной емкости. Экскаваторы с ковшом вместимостью до 2,0 м3 и массой до 90 т относят к строительным экскаваторам малой мощности, экскаваторы с ковшом 2—4 м3 — к машинам средней мощности. Наиболее распространены универсальные экскаваторы малой мощности. Широко применяют карьерные и вскрышные экскаваторы с ковшами 2—150 м3 и общей массой 70—13 000 т. Все эти машины неуниверсальны, т. е. имеют обычно один вид рабочего оборудования — прямую лопату или драглайн. Карьерно-вскрышные экскаваторы с прямыми лопатами имеют, как правило, гусеничный ход, а драглайны — шагающий. Выпускаемые отечественной промышленностью шагающие драглайны имеют ковши вместимостью 4—100 м3, стрелы длиной 40—100 м и массу 170—8500 т. Карьерно-вскрышные экскаваторы используют для разработки тяжелых грунтов (IV—V категорий) в карьерах и на открытых горных работах для выемки вскрышных пород с выгрузкой в отвал. Шагающие драглайны, кроме вскрышных работ, применяют на крупном гидротехническом строительстве. Одноковшовые экскаваторы подразделяют с учетом видов ходового оборудования, неповоротного устройства, типов привода и управления. По виду ходового оборудования различают экскаваторы на автомобильном, пневмоколесном, гусеничном и шагающем ходу. Экскаваторы с ковшами до 0,4 м3 имеют наряду с гусеничными пневмоколесный и автомобильный ход. Экскаваторы с ковшом 0,65 м3 и более имеют, как правило, гусеничный ход. Шагающий ход имеют мощные экскаваторы со значительными вылетами рабочего оборудования и высокими нагрузками на ходовую часть машины. Их применяют при крупных сосредоточенных обьемах работ с перемещением на незначительные расстояния. По виду привода различают экскаваторы с механическим, гидравлическим, электрическим и комбинированным (гидромеханическим и дизель-электрическим) приводом. Экскаваторы, используемые в строительных организациях нашей страны, имеют механический, гидравлический и гидромеханический привод мощностью 18—225 кВт. У экскаваторов с механическим приводом силовым оборудованием служат двигатели внутреннего сгорания. Потоки мощности при этом распределяются механическими трансмиссиями. Для машин малой мощности этот вид привода наиболее распространен. В отдельных случаях (например, для подземных работ) в качестве силовых установок экскаваторов с одномоторным механическим приводом применяют электродвигатели. 1Чногомоторный электрический привод обычно применяют при наличии внешнего источника электроэнергии. Предусматривают также и дизель-электрические приводы. Экскаваторы с гидравлическим приводом, или гидравлические, имеют в качестве силовых установок двигатели внутреннего сгорания с насосной группой, от которой энергия передается к рабочим органам и механизмам при помощи рабочей жидкости. Широко применять гидравлические экскаваторы начали с 50-х годов. Во многих видах строительства гидравлические экскаваторы успешно вытесняют механические. Гидравлические экскаваторы имеют следующие преимущества перед механическими: жесткую связь между рабочим оборудованием и машиной, позволяющую реализовать большие рабочие усилия без увеличения массы машины; нет потребности в специальных устройствах управления (тормозов, фрикционов, механизмов изменения скоростей), так как распределение и регулирование потоков энергии производятся гидравлической системой; можно применять широкую номенклатуру сменных рабочих органов со сложными рабочими движениями, что превращает машину в манипулятор, полностью заменяющий ручной труд человека. Из перечисленных преимуществ следует особо обратить внимание на возможность реализации больших рабочих усилий по сравнению с машинами с механическим приводом. Из схем механических экскаваторов, приведенных выше, видно, что при канатных связях напорные усилия обратной лопаты и грейфера создаются только силой тяжести рабочего оборудования, чего недостаточно при большом сопротивлении копанию. При гидравлическом приводе, обеспечивающем жесткую связь между элементами рабочего оборудования и машиной, в создании напорных усилий участвует сила тяжести всего экскаватора, и их можно существенно увеличить. Благодаря этим особенностям обратные лопаты гидравлических экскаваторов реализуют значительно более высокие рабочие усилия (в 2 раза и более), чем обратные лопаты экскаваторов с механическим приводом при равной массе машин. Грейферы на гидравлических экскаваторах могут разрабатывать самые тяжелые грунты, тогда как канатные грейферы служат практически только для перегрузки сыпучих материалов. Следует, однако, учитывать и недостатки гидравлического привода, указанные в гл. 4. В последние годы гидроприводы применяют в основном на экскаваторах малой мощности. Основными видами рабочего оборудования гидравлических экс-каваторв служат прямая и обратная лопаты, жесткий грейфер и планировщик с телескопической или шарнирно-сочлененной стрелой. Комбинированный привод в экскаваторах применяют в тех случаях, когда целесообразно связать основных потребителей мощности (например, привод рабочего оборудования) непосредственно с силовой установкой, а часть механизмов приводить в действие гид-ро- или электромоторами. Обычно это целесообразно при большой мощности экскаваторов. По исполнению опорно-поворотных устройств одноковшовые экскаваторы подразделяют на полноповоротные и неполноповоротные. Полноповоротными являются те экскаваторы, у которых рабочее оборудование крепят к поворотным платформам, которые могут поворачиваться на 360°. Вместимость ковшов у этих экскаваторов превышает 0,25 м3. По системам управления различают экскаваторы с рычажно-механическим, пневматическим, гидравлическим, электрическим и комбинированным (электропневматическим, электрогид-равлическим) управлением. Рычажно-механическое управление предусматривают на экскаваторах малой мощности. Вследствие большого количества недостатков этот вид управления в последнее время на большинстве машин заменен пневматическим или гидравлическим. Пневматическое управление устанавливают на экскаваторах малой мощности с вместимостью ковшей 0,5—2.0 м3. Гидравлическое и электрическое управление используют при соответствующих видах привода. § 6.2. Основные элементы конструкции механических экскаваторов. Рабочий процесс К основным частям экскаватора относят рабочее оборудование (ковш, рукоять, стрела), силовую установку, поворотную платформу с установленными на ней механизмами, опорную раму и ходовое оборудование. Одним из основных видов рабочего оборудования является прямая лопата (рис. 6.3). Ковш 16 закреплен на рукояти 15. С ним соединен подъемный канат 8, который проходит через блоки 14, укрепленные на стреле 12, и закреплен на барабане лебедки 5. Стрела 12 в нижней части шарнирно прикреплена к поворотной платформе 3\ верхняя часть ее удерживается канатами, расположенными под углом 45—60° к горизонту. Канат 9, называемый стреловым, проходит через блоки, укрепленные на двуногой стойке 7, и запасован на барабане лебедки 6. Двуногая стойка служит для увеличения угла между стреловым канатом и стрелой, что уменьшает усилие подъема рабочего оборудования. Рукоять, на которой закреплен ковш, обеспечивает перемещение его по забою при разработке грунта. Рукоять может вращаться в вертикальной плоскости относительно оси напорного вала и совершать возвратно-поступательное движение вдоль своей продольной оси в седловом подшипнике 10. Рукоять может быть однобалочной (рис. 6.4) или двухбалочной (рис. 6.5). Оба вида рукояти представляют собой сварные конструкции, выполненные из листового или профильного проката. По- Рис. 6.3. Оборудование прямой лопатой: S пята стрелы; 2 — напорный барабан; 3 — поворотная платформа; 4 — стойка поворотной платформы; 5 — подъемный барабан главной лебедки; 6 — барабан стреловой лебедки; 7 — двуногая стойка; 8 — подъемный канат; 9 — канат подвески стрелы; 10 — седловой подшипник; 11 — возвратный канат; 12—-стрела; 13 — блок подвески стрелы; 14 — головные блоки; 15 — рукоять; 16 — ковш; /—/// —положение ковша А-А Рис 6.4. Однобалочная рукоять с ковшом I — козырек; 2— нижний пояс; 3 — петля. 4, 15, 17 —• пальцы; 5 — днище ковша, 6—тяга; 7 — винт натяжной; 8, 13 — кронштейны, 9 — втулка клиновая; 10 — планка, 11 — амортизатор; 12—блок уравнительный; 14 — рукоять; 16 — блок ковша; 18 — верхний пояс; 19 — боковые стенки ковша; 20—зубья, 21 — сменная планка перечное сечение может быть прямоугольным или круглым. Передний конец рукояти шарнирно или жестко соединен с ковшом. Одно-балочные рукояти по конструкции просты и применяются для машин с ковшом до 1 м3. Двухбалочные рукояти сложнее по конструкции, но они обладают большей жесткостью и применяют их для машин с ковшом вместимостью более 1 м3. Стрелы экскаваторов выполняют сварными коробчатого сечения из листовой стали или штампованных и гнутых профилей, а также сварными решетчатыми из профильного проката. Стрелы коробчатого сечения могут быть двухбалочными (рис. 6.6, б) при однобалочной рукояти и однобалочными при двухбалочной (рис. Рис. 6.5. Двухбалочная рукоять с кремальерным механизмом:
Стрелы для драглайнов, кранов и грейферов изготовляют решетчатые. Они имеют вид жестких пространственных конструкций (рис. 6.7) прямоугольного, трапецеидального и треугольного сечения. Стрелу подвешивают при помощи стрелового полиспаста для ее подъема и изменения угла наклона к горизонту. Такие стрелы состоят из нескольких секций. / — стрела; 2 — кронштейн седлового подшипника; 3 — поворотный вал; 4 — кремальера; 5, 8— шпонки; 6—вкладыш бронзовый; 7 — звездочка; 9 — напорный барабан; 10— шестерня кремальерная; 11 — рукоять; 12 — вкладыш чугунный
Ковши экскаваторов (рис. 6.4) изготовляют сварные, сварнолитые или комбинированые. Сварно-литые ковши, выполняемые из высокомарганцевой стали, надежны в эксплуатации, но тяжелы. Более распространены сварные ковши со сменными козырьками, которые изготовляют из высокомарганцевой стали. Такие ковши достаточно надежны, просты в изготовлении и имеют по сравнению с сварно-литыми значительно меньшую массу. Для снижения массы ковши иногда изготовляют из легких сплавов, а для усиления бронируют листовой сталью толщиной до 8 мм. Переднюю стенку ковша изготовляют с козырьком плоской формы, на котором устанавливают зубья, или козырьком овальной формы без зубьев (ковш Д. И. Федорова). Ковши с такими козырьками позволяют снизить сопротивления, возникающие при копании грунта. Однако в этом случае возрастает боковая составляющая, которая стремится увести ковш с рукоятью в сторону, из-за чего появляются дополнительные нагрузки на ссдловой подшипник и стрелу. Ковш Д. И. Федорова целесообразно использовать для драглайнов или при разработке малосвязных грунтов. Рабочее оборудование, основные механизмы экскаватора, двуногую и переднюю стойки, силовую установку размещают на поворотной платформе (рис. 6.8). Последняя воспринимает нагрузки,
Рис. 6.6. Стрелы экскаваторов: а — однобалочная; 1— пята; 2—амортизатор; 3— кронштейн для установки напорного вала; 4 — балка, б — двухбалочная; 1 — подшипник; 2 — пята; 3 — головные блоки; 4 — ось; 5 — блоки стреловые; б —балки; 7 —отверстие оси седлового подшипника; 8 — указатель вылета стрелы; 9, 10— амортизаторы; 11 — ограждение
возникающие в процессе работы экскаватора, а также от массы размещенного на ней оборудования. Платформы изготовляют сварные или сварно-литые; они должны обладать высокой прочностью, так как на них действуют значительные переменные по величине и направлению нагрузки. Поворотная платформа экскаватора нагружена осевыми и радиальными силами и опрокидывающим моментом. Усилия от поворотной платформы к нижней раме передаются через опорно-поворотное устройство. У некоторых типов машин опорно-поворотные устройства имеют вид опорных роликовых кругов с центральными цапфами и роликами-захватами. В последние годы широко применяют шариковые и роликовые опорно-поворотные устройства в виде подшипников качения большого диаметра. Эти устройства, не имеющие центральных цапф и роликов-захватов, более компактны, просты по конструкции, имеют меньшую массу. Кроме того, они позволяют понизить положение центра тяжести машины, обеспечивают большую надежность работы зубчатых передач, более долговечны и просты в монтаже. По числу рядов тел качения такие подшипники изготовляют одно- и двухрядными. Рис. 6.7. Рабочее оборудование драглайна:
Поворотная платформа экскаватора вращается относительно вертикальной оси с помощью ведущей шестерни, установленной на поворотной платформе. При этом шестерня зацепляется с венцом, закрепленным на раме ходовой части. Венцы изготовляют с наружным и внутренним зацеплением. Последнее предпочтительнее, так как вращающиеся детали закрыты, чем улучшаются условия зацепления. При оборудовании прямой лопатой экскаватор начинает копать грунт с подошвы забоя (см. рис. 6.3). Сопротивление грунта копанию преодолевается усилием, создаваемым подъемным полиспастом и напорным механизмом, который перемещает рукоять вдоль продольной оси. Операция копания в цикле занимает до 30% времени. / — тяговый канат; 2 — ковш; 3 — опрокидной блок; 4 — подъемный канат; 5 — голова стрелы; 6 — стреловые блоки; 7 — го* ловные блоки; 5 —фланцы; 9 — раскосы решетки; 10— верхние пояса; 11 — обшивка пяты; /2— ступицы пяты, 13 — разгрузоч-нып (опрокидной) канат
Поворот лопаты для выгрузки вокруг вертикальной оси происходит при плавном включении поворотного механизма. Эту операцию обычно совмещают с подъемом ковша, но начинать ее нужно не раньше, чем ковш полностью выйдет из забоя. Во время поворота ковш устанавливают в положение, удобное для выгрузки. В момент выгрузки открывают днище ковша и грунт высыпается из него в отаал или транспортное средство. При работе в отвал целесообразно выгрузку ковша совмещать с поворотом. Поворот в забой начинают в момент окончания выгрузки. Операцию опускания ковша обычно совмещают с его поворотом при скорости значительно большей, чел подъем. После выработки части забоя копание становится неэффективным или невозможным, так как ковш не достает до торцового откоса забоя. В этом случае необходимо передвинуть весь экскаватор вдоль забоя. Длина передвижек его зависит от емкости ковша и вида грунта. При разработке тяжелых грунтов выгоднее короткие, но частые передвижки. При рабочем оборудовании обратная лопата сопротивление грунта копанию преодолевается усилием тягового каната, а напор— массой рабочего оборудования. Толщину стружки регулируют натяжением канатов подъемного полиспаста. После натяжения ковш подтягивают к стреле и тяговую лебедку затормаживают. Включением подъемной лебедки рабочее оборудование выводят из забоя и включают поворотный механизм. Для выгрузки грунта отпускают тяговый канат и включают подъемную лебедку. При этом ковш выводят вперед и увеличивается угол между стрелой и рукоятью. Рис. 6.8. Поворотная платформа: / — правая стойка; 2— люки; 3, 13— пластины боковые; 4— коробка; 5 — опора дизеля; £ —горловина топливного бака; 7 — картер конических шестерен реверса; 8, 9, 10 — гнезда для валов механизма реверса, реверса механизма главной лебедки; Л —левая стойка; 12 — смотровой люк; 14 — проушины крепления стрелы; 15— настил; 16 — кронштейн ролика захвата; 17 — кронштейн наводки После разгрузки поворачивают рабочее оборудование в забой с одновременным опусканием его. При наличии рабочего оборудования типа драглайн сопротивление грунта копанию преодолевается за счет усилия, создаваемого тяговым канатом (см. рис. 6.7). При копании предварительно выбирают слабину у подъемного каната. Угол резания и толщина стружки регулируются тяговыми цепями и разгрузочным канатом. Ковш врезается в грунт под действием собственной массы. Он наполняется на пути, приблизительно равном трем его длинам. После наполнения ковш подъемным канатом отрывают от забоя и подтягивают к стреле для уменьшения нагрузок на стрелу и исключения потерь грунта; одновременно он поворачивается на выгрузку. При выгрузке тяговый канат ослабляют, ковш, повиснув на подъемном канате 4, опрокидывается под действием массы грунта и разгружается. Стрела поворачивается при опрокинутом ковше при одновременном опускании его на грунт. При рабочем оборудовании грейфер свободно падающий ковш внедряется в материал при разведенных челюстях. Набор материала в ковш происходит при соединяющихся челюстях, стягиваемых замыкающим канатом. Для разгрузки материала ослабляют замыкающий канат, и ковш повисает на подъемном канате. При этом раскрываются челюсти и материал высыпается из ковша. Рис. 6.9. Схемы напорных механизмов: а — независимый; б — зависимый; в — комбинированный Стрела удерживается в определенном положении при рабочем оборудовании прямой лопатой, драглайном и грейфером стреловой лебедкой. При рабочем оборудовании обратной лопатой этой лебедкой удерживают переднюю стойку, позволяющую уменьшить усилие в канате подъема оборудования. Необходимые усилия и скорости напора прямых лопат обеспечивают напорные механизмы. Последними снабжают все типы прямых лопат, за исключением самых малых моделей (с емкостью ковша 0,15—0,4 м3), на которых напор обеспечивается маятниковым качанием стрелы. Напорные механизмы могут быть независимыми, зависимыми и комбинированными. Независимым называют такой механизм (рис. €.9, а), в котором необходимые усилия и скорости напора не зависят от силы натяжения и скорости каната подъема ковша. Этот механизм может иметь цепную или канатную передачу движения напорному барабану. Канатная передача предпочтительнее, так как она амортизирует действие динамических нагрузок. Ковш 8 (рис 6.9 а) поднимается канатом 3, наматываемым на подъемный барабан 1. От звездочки левого барабана 2 главной лебедки через цепь 10 движение передается напорному барабану 9 Рукоять 6 выдвигают наматыванием напорного каната 5, огибающего уравнительный блок 4, на барабан 9. При этом канат втягивания рукояти 7 сматывается с барабана. Напорное усилие регулируют включением фрикционной муфты 10 (на рис. 6.10) барабана 12 или его притормаживанием. Рукоять перемещают в обратном направлении при помощи специального реверса напора 5 (рис. 6.10). При этом напорный барабан вращается против часовой стрелки, с него сматывается канат 5, а наматывающийся канат 7 втягивает рукоять. Вследствие легкости управления ковшом, а также возможности передачи больших напорных усилий схему независимого напора применяют широко, особенно на экскаваторах, предназначенных для разработки скальных и мерзлых грунтов, разрыхленных взрывом. В схеме зависимого напора (см. рис. 6.9, б) скорости подъема и напора взаимосвязаны. Во время наматывания подъемного каната 6 на подъемный барабан напорный барабан 4 вращается по часовой стрелке и рукоять 5 с ковшом выдвигаются. Для возвращения рукояти 5 включают барабан 2, на который наматывается канат 3. Отношение усилия напора к усилию подъема при зависимом напорном механизме выбирают исходя из максимального значения усилия напора, соответствующего выдвижению рукояти с наполненным ковшом в крайнее верхнее положение. С учетом этого усилие, развиваемое зависимым напорным механизмом, в иных положениях рукояти должно превышать величину, потребную для копания с рациональными углами резания. Избыточное усилие напора погашается при торможении барабана возврата или упора передней стенки ковша в забой, что существенно увеличивает энергоемкость процесса. Потери мощности могут достигать при этом 25% и более от общей мощности привода, вследствие чего зависимый напорный механизм в настоящее время применяют редко. В схеме комбинированного напора (рис. 6.9, в) мощность напорному механизму передается как от подъемного каната 4, так и за счет передачи крутящего момента цепной передачей 3 от дополнительного барабана 5. Комбинация зависимого и независимого напорных механизмов позволяет подобрать отношение скоростей и усилий напора и подъема так, чтобы усилий, создаваемых зависимой частью напора, было достаточно для копания грунтов средней прочности. При разработке слабых и тяжелых грунтов включают независимую часть напора. Благодаря этому копание, выполняемое в основном по схеме зависимого напора, происходит автоматически, а движение вхолостую происходит достаточно быстро с помощью независимого напора. Общий принцип работы основных механизмов экскаватора с одномоторным приводом показан на кинематической схеме, приведенной на рис. 6.10. Особенностями схемы являются применение независимого напорного механизма, наличие двух скоростей вра- Рис 6.10. Кинематическая схема экскаватора. щения поворотной платформы, возможность работы с различными видами рабочего оборудования (прямая и обратная лопаты, кран, драглайн, грейфер), что значительно расширяет область применения экскаваторов. При включении главной муфты 2, соединяющей двигатель 1 с трансмиссией, приводятся в действие цепная передача 3, шестерни 4, 7 и 9, а также валы I, II и III, составляющие главную трансмиссию экскаватора. Вместе с этими элементами вращаются жестко связанные с ними шкивы двухконусных фрикционов реверса 6 поворота и хода, ведущий диск реверса напора 5, ведущие диски фрикционных муфт 10 и 15 механизмов открывания днища ковша 8 и барабана 12, а также 14 главной лебедки. Для подъема ковша включают ленточный фрикцион 15, соединяющий подъемный барабан 14 с валом III. Для того чтобы остановить ковш и удержать его в поднятом состоянии, выключают фрикционы 15, барабан 14 и включают тормоз 16. Ковш опускается под действием собственной массы, скорость опускания регулируют тормозом 16. Для напорного движения ковша включают ленточный фрикцион 10. При этом вращение от барабана 12 со звездочками 11 через цепную передачу передается напорному барабану 17. На последний навиваются два конца напорного каната 19 а с него свивается возвратный канат 18. Напорный канат 19, проходящий через направляющие блоки седлового подшипника 21, огибает уравнительный блок 20 на конце рукояти. Канат 18 закрепляется на передней части рукояти. Рукоять возвращают включением фрикционной муфты реверса 5. Стрела поднимается канатом, наматываемым на барабан 23, который соединен с валом IV кулачковой муфтой 22. Крутящий момент на вал IV передается при включении муфты реверса напора 5. От свободного опускания стрелу удерживает тормоз 24 или обгонный механизм 25, обеспечивающий опускание стрелы в режиме работы двигателя машины. Для обеспечения этого при вращении правой звездочки на конце вала III крутящий момент передается на вал IV через цепную передачу в том случае, если он начинает вращаться вместе с барабаном 23, включенным муфтой 22, со скоростью большей, чем вращение вала IIL Направление вращения вала V изменяют механизмом реверса 6, включающим две свободно сидящие на валу II конические шестерни и жестко закрепленную на валу V коническую шестерню. Шестерни горизонтального вала II включаются муфтами реверса 6. При включении правой или левой муфты крутящий момент передается на вал V. Крутящий момент от вертикального вала реверса V через промежуточный вал VI передается на вал поворота VII при включении кулачковой муфты 29. На конце его жестко закреплена бегунковая шестерня 30, находящаяся в постоянном зацеплении с зубчатым венцом 32, приваренным к неповоротной раме. Скорость поворота изменяют блоком шестерни 27. Меньшую скорость используют при рабочем оборудовании кран, драглайн и грайфер, большую — при оборудовании экскаватора прямой и обратной лопатой. Поворотная платформа вращается вправо при включении правой Л1уфты реверса 6, а влево — левой муфты реверса 6 Для этого предварительно включают кулачковую муфту 29. Поворотную платформу тормозят с помощью тормоза 28. Для приведения в действие ходового механизма включают муфту 33 и выключают муфту 29 поворотного механизма При этом крутящий момент передается через вертикальный вал хода VIII, на нижнем конце которого закреплена шестерня конической пары 35, на горизонтальный вал хода IX. Для изменения направления движения машины предусмотрен механизм реверса 6. При включении правой фрикционной муфты реверса обеспечивается ход вперед, левой — ход назад Чтобы изменить направление движения экскаватора, отключают от вращающейся трансмиссии одну из звездочек 31 привода гусеничной цепи. Муфты 34, сблокированные с тормозами 36, обеспечивают остановку машины и удерживают ее от свободного перемещения. В схеме многомоторного. привода на всех остальных механиз- мах устанавливают отдельное двигатели, что значительно упрощает кинематическую схему экскаватора. Рабочий цикл экскаватора состоит из следующих основных операций: копания, подъема ковша, поворота его из забоя на выгрузку, выгрузки, поворота в забой, опускания ковша для последующего набора грунта. Элементы цикла — подъем ковша, поворот иа забоя, на выгрузку и выгрузка грунта в отвал, а также поворот ковша в забой и опускание его для последующего набора грунта — могут совмещаться. К вспомогательной операции относится перемещение экскаватора по мере разработки забоя. По расчетным скоростям движения рабочих органов экскаватора можно определить продолжительность отдельных операций цикла и теоретическую продолжительность цикла. Для определения продолжительности копания прямой лопатой высоту забоя принимают равной высоте расположения оси напорного вала (точки соединения стрелы и рукояти). По разности в длине каната подъемного полиспаста при опущенном и поднятом ковше можно графически определить длину каната LK, наматываемого на подъемный барабан. Продолжительность копания при этом определяется из соотношения (6.1)
*к = 4/®, Значения скорости ик подъемного каната прямой лопаты можно определить по следующим данным с учетом кратности полиспаста и направления вектора скорости: Вместимость ковша qK, м3 ...    0,25—0,65 1,0—1,6    2,0—3,0 4,0 и более Скорость копания vKl м/с............0,5 0,6    0,8 1,0 Аналогичным способом можно определить продолжительность подъема ковша для разгрузки tn и опускания его для начала нового цикла tou:
где Ьп — длина каната, наматываемого на барабан при подъеме ковша от верхнего положения копания до верхнего положения разгрузки; Lon — длина каната, сматываемого с барабана при опускании ковша от верхнего положения его при разгрузке до нижней точки забоя. Время поворота /Пов на разгрузку ковша определяют в зависимости от необходимого угла поворота с учетом продолжительности разгона и торможения поворотной платформы: ^пов рпл/ш “f" ^раз/2-]-/гор/2, (6.4)
где ^пл — угол поворота платформы от положения копания да положения выгрузки; си — скорость поворота ее при установившемся движении. Для определения теоретической продолжительности операции поворота платформы по ГОСТ 9693-^67 угол поворота принимают равным 90°. Время разгона и торможения колеблется в пределах 1—2 с. При работе оборудования прямой лопатой подъем и опускание ковша, как правило, совмещают с поворотом платформы на выгрузку и в забой. При этом полное время цикла tn составляет: ^ц — ^к + ^п+Аюв + ^раз+^пп.    (6.5) где £Раз—■ время разгрузки ковша, которое в зависимости от его вместимости равно 1—2 с; ta.п— время, затрачиваемое на переключение рычагов управления, которое не превышает 1—1,5 с. Продолжительность рабочего цикла проверяют хронометрированием при проведении заводских и приемочных испытаний новых моделей экскаваторов. Фактическая продолжительность цикла отечественных экскаваторов строительной группы в зависимости от вместимости ковша, вида рабочего оборудования, рода грунта, условий работы колеблется в пределах 13—40 с. Так, у экскаватора с ковшом 0,25 м3 длительность цикла равна 13 с, у экскаватора с ковшом 4 м3 — 40 с. § 6.3. Общий расчет механических экскаваторов. Выбор и расчет основных параметров К основным параметрам и показателям экскаваторов относят: вместимость ковша qK, продолжительность цикла при повороте на 90° с выгрузкой грунта в транспорт или отвал, массу машины тм, мощность привода А/у, скорость передвижения экскаватора ипер, удельное давление на грунт РТ, касательную и нормальную составляющие Рк и Рп, усилия на режущей кромке ковша, а также рабочие размеры, показанные на рис. 6.2: наибольшую высоту забоя наибольший радиус копания гь наибольшая высота выгрузки Н2, радиус выгрузки г2 при максимальной высоте выгрузки. В задании на проектирование землеройных машин указывают назначение, условия работы экскаватора, вместимость ковша, требования к показателям качества и специальные требования. По этим данным определяют остальные параметры машины, используя зависимости между параметрами экскаватора, установленные на основании аналитических и экспериментальных исследований, статистических материалов и згкс^ов подобия. На основании анализа отечественного и зарубежного опыта экс -каваторостроения и законов подобия Н. Г. Домбровским разработаны приведенные ниже эмпирические формулы для определения зависимостей между параметрами экскаваторов строительной группы. Общий расчет главных рабочих механизмов. На рабочие органы, механизмы одноковшовых экскаваторов и металлоконструкции действуют нагрузки, изменяющиеся в широких пределах в течение рабочего цикла. Для определения мощности, затрачиваемой на работу отдельных механизмов, необходимо знать сопротивления, возникающие при выполнении отдельных операций. Основная нагрузка на элементы машины возникает при копании грунта. Общую силу сопротивления грунта копанию Ркоп по отношению к направлению движения ковша можно разложить на касательную Рк и нормальную составляющие Ps (рис. 6.11). С достаточной степенью точности касательную составляющую можно определить по упрощенной формуле [см. формулу (3.29)]: Рис. 6.11. Схема сопротивлении,, действующих на ковш
PK=kbh.    (6.6) В процессе копания Рк непрерывно меняется вследствие изменения толщины стружки. Наибольшая величина касательной составляющей Рк, найденная по этой формуле, соответствует положению режущей кромки ковша на уровне напорного вала при максимальной толщине стружки. Между касательной и нормальной составляющими исследованиями установлено соотношение где ijj 1 — коэффициент пропорциональности, равный 0,1—0,6. Величина его зависит от режима копания, угла резания и степени затупления режущей кромки или зубьев ковша. Составляющие Рк и Рк реакции грунта на ковш R0, вес узлов экскаватора и реакции грунта, действующие на ходовое оборудование, являются внешними силами, действующими на экскаватор. Они служат исходными данными для определения нагрузок на элементы рабочего оборудования, механизмов, потребной мощности, привода и устойчивости экскаватора. Определить касательную составляющую сопротивления грунта копания Рк можно, зная толщину снимаемой стружки. Предположим, что под действием напорного механизма стружка постепенно увеличивается до размера hMaKC, как показано на рис. 6.12. При этом толщина стружки в некотором положении режущей кромки ковша, расположенном под углом ав к вертикали, составит Л = Лмакс-2ав/л.    (6.8) Общая площадь стружки в плоскости движения ковша |* (^макс *    /?чакСГ^ ^макс^1*    (^*9} Принимая объем снимаемой стружки в рыхлом теле равным объему грунта, вмещаемому в ковше с учетом коэффициента за- полнения, получим ЧкК ^^макс^1^р (6.10)
откуда (6.11)
По максимальному размеру стружки можно определить наиболь-п шее значение касательной составляющей сопротивления грунта копанию: Р = kbh 1 к п,‘//4макс> P^kqMHikj. (6.12) Расчет подъемного и напорного механизмов машины сводится к определению усилий, скоростей и мощностей подъема и напора (Рпод? ^нод> -^под, Рнаш ^нап и NBап), а также кинематических параметров механизмов подъема и напора (диаметров и чисел оборотов барабана, передаточных чисел узлов трансмиссии, кратностей полиспастов и т. п.). Наибольшее усилие в полиспасте подъема ковша Рпод можно определить исходя из условия равновесия сил для положения, при котором зубья находятся на уровне оси напорного вала, рукоять горизонтальна, толщина стружки и Рк — наибольшие. Из уравнения моментов сил относительно точки О (рис. 6.13) найдем подъемное усилие: Рп0л=[РЛ+ок+А+Ор/з)//4. (6.13) где l\—U — плечи сил в полиспасте на рис. 6.15. Максимальное усилие в полиспасте на рис. 6.15 с учетом динамики при одномоторном приводе по рекомендации Н. Г. Домбровского можно принять равным Л.одмакс=1>5Яп(п.    (6.14) Для многомоторного привода ^пспчакс—(6.15) Максимальное усилие РПКмакс в канате, наматываемом на барабан подъема, будет равно МакДаЛп),    (6Л6) КПД полиспаста.
Рис 6.12. Схема срезания стружки прямой лопатой
Рис 6 13 Схема для определения усилия подъема ковша прямой лопаты
1 п.к макс п
где а — кратность полиспаста подъема; г]п-
Скорости подъема ковша при независимом напорном механизме можно принимать по данным, приведенным выше. При зависимом напоре их требуется увеличивать на 10—15%. Потребную мощность подъема ковша определяют по формуле расчет-
Wn " Pnoiftn! ^под • Активное напорное усилие Рыап.а определяют для трех ных положений. Первое из них (рис. 6.14) соответствует началу копания, когда рукоять вертикальна, угол наклона стрелы к горизонту ас равен 60°, сила Рпод равна расчетному значению, ковш пустой; отношение Рн/Рк = 0,5. Рис. 6.14. Схема для определения напорного усилия-I, II, III — расчетные положения ковша
Второе расчетное положение соответствует концу копания; при этом рукоять расположена на уровне напорного вала, ковш наполнен грунтом, Рн/Рк=0,2. Третье расчетное положение соответствует выдвижению рукояти на полный вылет с подъемом ковша в крайнее верхнее положение, Рн/Рк=0, т. е. реакция грунта отсутствует. Активное напорное усилие можно найти аналитическим путем или графически — построением многоугольника сил, действующих на ковш с рукоятью. На рис. 6.14 приведен графический способ определения напорного усилия для указанных положений. В первых двух случаях напорное усилие должно преодолевать нормальную составляющую сопротивления грунта копанию Рн и горизонтальную составляющую подъемного усилия. В третьем положении напорное усилие удерживает рукоять с ковшом, наполненным грунтом. На графиках определены напорное усилие Рнапа, нормальная реакция в седловом подшипнике Nc и результирующая этих сил Рс. Для расчета зависимого и независимого напорных механизмов подставляют наибольшее значение Рнапа, полученное в двух указанных положениях. По значению РИап, полученному для третьего положения, рассчитывают тормоза и независимую часть комбинированного напорного механизма. Скорость напора иПД11 выбирают исходя из условия, чтобы рукоять полностью выдвигалась за время копания: (бЛ8> где /х.р — наибольший ход рукояти. Мощность напорного механизма (6.19)
УЛа
х ’ НЯГГ л и нагт.а ^нап.а, где т]нап — КПД напорного механизма. Усилие для обеспечения обратного хода рукояти (ее возврата) проверяют только для первого положения. Это усилие должно быть достаточным для втягивания рукояти: Рис. 6 15. Схема сил, действующих на рабочее оборудование прямой лопаты
^Энап.о = ^к + г_Ь Ор. (6.20) Скорость возврата обычно принимают равной *^нап == ( 1 ^ "Т 2,0) ^наг1.а. Проверочный расчет рабочего оборудования экскаватора с прямой ло* патой ведут по выбранной мощности двигателя. Задача его — определение фактической удельной работы копания. По схеме* сил, действующих на рабочее оборудование (см. рис. 6.13), определяют фактически реализуемую касательную составляющую усилия копанию для различных положений ковша: ' (^к+г^ + Ор/з)]//!- (6.22)
При этом значение РПод определяют по величине установленной мощности двигателя N7: Pnoj = Nyy\noi/vaoi.    (6.23) Величина Рк для положений 1, 2, 3 я 4 (рис. 6.15) ограничивается условием устойчивости машины: GJi + Gxl 2— (Ос/з + Gvh + GK+ /5) (6.24)
h — *Ыб где г|)1 — соотношение между нормальной и касательной составляющими сопротивления грунта копанию, принимаемое в зависимости от положения ковша равным г|)1 = PH/PK=0,4-f-0,6. При откладывании на оси ординат значений Рк, полученных из выражения 6.22 (кривая / на рис. 6.16), и значения Рк — из выражения (6.24) (кривая II), а по оси абсцисс отрезков пропорциональных участков 1-2, 2-3 и 3-4, получим площадь, ограниченную кривыми I и II. Площадь этой фигуры выражает работу копания, обеспечиваемую машиной. Зная эту работу, можно определить возможную энергоемкость копания Рис. 6.16 График усилий на режущей кромке ковша: k3=A4y/qK,    (6.25) Рис. 6.17. Схема для определения тягового и подъемного усилий обратной лопаты
1 — кривая усилий по мощности двигателя; II— кривая усилий по устойчивости где %=0,8ч-0,9 — коэффициент использования установленной мощности. По удельной энергоемкости можно оценить способность экскаватора разрабатывать грунты заданной категории. Расчет основных механизмов обратной лопаты сводится к определению тягового усилия Ртяг и усилия в полиспасте подъема рабочего оборудования Рпод (рис. 6.17). Толщину стружки принимают такой же, как и при оборудовании прямой лопатой. Расчетное тяговое усилие Ртяг определяют для положения в конце копания, когда на ковш действует максимальное сопротивление грунта копанию, из уравнения моментов сил относительно шарнира крепления рукояти к стреле (точка А): P^=(PJs + PJe + GK+A + G^ + P^/ls. (6.26) Мощность привода тягового механизма можно определить по формуле ■^тяг ^тяг^тяг/^гяг»    (6.27) где vWt — скорость движения тягового полиспаста; Т)тяг--коэффи-циент полезного действия тягового механизма. Усилие в полиспасте подъема рабочего оборудования определяют при том же расчетном положении из уравнения моментов сил, действующих на рабочее оборудование, относительно пяты стрелы (точка Б): (6.28 j
:(^к+Ло + ^ЛН"^э)/^7- под Рис. 6.18. Схема для определения касательной составляющей сопротивления грунта копанию обратной лопатой
Мощность, расходуемую на подъем лопаты, можно определить из выражения .од/Лпот (6‘29)
J ' под ' под где Уцод — скорость сокращения полиспаста подъема стрелы; г)Под — коэффициент полезного действия механизма подъема. Проверочный расчет оборудования экскаватора обратной лопатой ведут по выбранной мощности двигателя и размерам рабочего оборудования. Для положений ковша 1, 2, 3, 4, 5 я 6 (рис. 6.18) из суммы моментов сил относительно точки А можно найти касательную составляющую Рк усилия копания (при этом усилие Рн принимают равным нулю). Тогда (6.30)
; РтягА — (<?p4 + Ок+г12}]/1^ где Р1 яг—N т я г У] т ч г/ V г я,-. Эти усилия могут быть реализованы при соблюдении условий внедрения ковша в грунт и обеспечения устойчивости машины. Чтобы определить усилие Рк исходя из условий внедрения ковша в грунт, следует составить уравнение моментов сил, действующих на рабочее оборудование относительно точки Б: п    с ь    Г^к+г-/--ТЯГ-»    „ 01. к~    h-Ыю    '    ( * Для определения усилия Рк исходя из условия устойчивости машины рассматривают уравнение моментов сил, действующих на машину, относительно грани опрокидывания (точка С): п    Gxhi + On/i2—(GK^.rl7 + GJs + Gplg) /-* = -;---- .    (6.<32) (Плечи сил показаны на рис. 6.18.) Отложив по оси абсцисс (рис, 6.19) отрезки, пропорциональные участкам 1-2, 2-3, 3-4, ..., а по оси ординат — значения Рк, найденные по формулам (6.30), (6.31) и (6.32), получим кривые I, II, III. По кривой I, построенной по данным, вычисленным по формуле (6.30),    определяют возможность копания грунта при установленной мощности. Кривая II, построенная по значениям из формулы (6.31),    ограничивает возможность копания по заглублению ковша, а кривая III, построенная по данным формулы (6.32), ограничивает возможность копания по устойчивости. Рис. 6.19. График сопротивления копанию грунта на режущей кромке ковша
Площадь фигуры, ограниченной осями координат и кривыми I, II, III, выражает работу экскаватора в процессе копания. Удельную энергоемкость копания можно определить из выражения k3 = Ar\y/qK,    (6.33) где % — коэффициент использования мощности двигателя; гуу=0,8-ь 0,9. При расчете основных механизмов рабочего оборудования драглайн определяют длину пути наполнения ковша LB, тяговое усилие Ртяг и подъемное усилие РПод- Важным параметром здесь является плечо крепления тяговых цепей 1Ъ, размер которого определяет воз- 72Ж Рис. 6 20 Схема к определению тягового и подъемного >силий драглайна: а — схема работы драглайна; б—схема усилий, действующих на ковш
б)

можность движения днища ковша параллельно забою (рис. 6.20). Длину пути наполнения ковша можно найти по формуле Ln=Lc cos ac/cos (З3 — LT.a — LK,    (6.34) где 1т.ц — длина тяговых цепей; {З3 — угол откоса забоя. Длину забоя приближенно можно принять равной LH= (3-f- 5)LK. Величина усилия PF при значении kn= \ составит k (Як + tfnp) Для драглайнов составляющая сопротивления копанию равна 0,4—0,6 касательной, т. е. \|)i = 0,4-b0,6. Масса ковша драглайна, наполненного грунтом, должна быть не менее величины Рн — при этом условии предотвращается выталкивание его из грунта нормальной составляющей: П \ п \ I г> \ 'М (^к + ?пр)    „ °К+Г > Л, > ФЛ >-Т~ь- •    (6-36) Проектируя все силы на направление действия Рт и Рн, находим ^гЭтяг=-/0к_Ь^к+г (sin Рз + / cos Рз);    (6.37) PH=GK+rcosp3.    (6.38) Отсюда GK+P=/,H/cosp3=91/,K/cospe.    (6.39) Подставив выражение (6.39) в (6.37), получим ^тяг = 4--(Sin Рз + / cos Рз) Ляг=ЛЛ1+Ф1№Р»+/)].    (6-40) Из суммы моментов сил, действующих на ковш, относительно точки О находим ЛяЛ = °к+г(*1 cos p3-f/2 sin Рз),    (6.41) откуда
фх/\ (1г COS Рз +12 sin Рз) cos рзрк [1 + <h(tg Рз +/)] / =-l'+l2 tgjg- .    (6.42) tgps + / + i/4>i Мощность, потребная для привода тягового и подъемного механизмов, можно определить из выражений: Nnr=- Я-гяг--гяг- ;    (6.43) N _ (6 44) Расчеты показывают, что усилие в подъемном канате при работе драглайна Рп0д= (0,7ч-0,8)Ртяг. При расчетах значения характеристики условий работы можно принимать по табл. 6.1. При расчете грейферов за расчетное положение принимают такое, при котором подъемный канат ослаблен, а замыкающий в этот момент смыкает челюсти. При этом на ковш (рис. 6.21) действуют горизонтальные Рк и Рк' и нормальные Рп и Рп' составляющие сопротивления грунта копанию, а также масса грейфера. Таблица 6.1 Расчетные значения характеристик условий работы драглайнов Грунты Харак герисхика легкие (I кат.) средние (II каг.) тяжелые (III кат.) Угол откоса забоя (З3, град Коэффициент разрыхления kp Объем призмы волочения qnр, м3 Угол наклона стрелы ас, град
О.бд-к
40 4 1,3 0,3дк
Условие равновесия сил, действующих на ковш грейфера, можно выразить в виде
Рк-Р' = 0; 0к-Р3=Ря+Р'л,    (6.45)
(6.46)
PK=P3D6/(2l), I — путь перемещения режущей кромки в процессе зачерпывания; Dб — диаметр блоков полиспаста. Соотношение Рг,/Рк для грейфера принимают равным 0,3-f-0,6. Из выражений (6.45) видно, что усилие заглубления грейфера равно его весу за вычетом усилия в замыкающем канате. Поэтому для обеспечения заглубления в материал ковш должен иметь достаточно большую массу. Обычно ее принимают в килограммах равной вместимости ковша грейфера в литрах.
Расчетное усилие Р3 в замыкающем канате не должно превышать массы грейфера с материалом, иначе в момент замыкания челюстей грейфер будет подниматься. При подъеме грейфер висит на замыкающем канате, подъемный канат должен быть ослаблен, в противном случае челюсти ковша откроются. Поэтому усилие в замыкающем канате должно быть равно массе грейфера с грунтом. Кратность замыкающего полиспаста при этом выбирают с учетом условия обеспечения необ- Рис. 6.21. Схема к определению уси-ходимого значения Рк из выраже-    лия замыкания грейфера ния (6.46). Зная Р3, можно определить мощность, потребную для замыкания челюстей: N3=PsvJy\3,    (6.47) где у3 — скорость замыкания челюстей; w3 = 0,3-^0.7 м/с; г|3 — КПД механизма замыкания. Продолжительность поворота рабочего оборудования экскаваторов строительной группы из забоя на разгрузку и наоборот составляет около 70% времени цикла. Поэтому выбор параметров поворота во многом влияет на полное время цикла tn, а следовательно, и на общую производительность машины. С целью ее повышения желательно сокращать длительность цикла. Верхний предел скорости поворота у машин малой мощности ограничен мощностью двигателя и возможностями машиниста, а у средних и больших машин — сцеплением опорной поверхности экскаватора с грунтом. Процесс поворота характеризуют продолжительность поворота ^пов, момент инерции поворотной части экскаватора с груженным ковшом /г и с ковшом без грунта /ш максимальная угловая скорость поворота (Омакс, максимальное угловое ускорение емакс, угол поворота рп, время разгона /ра3 и время торможения ^тор, потребная мощность А'лов и наибольший момент двигателя Мшакс. Моменты инерции вращающейся части зависят от вида и положения рабочего оборудования. При определении моментов инерции принимают наклон стрелы прямой лопаты равным 45°, обратной лопаты — 60°, драглайна — 30°. При этом рукоять прямой лопаты горизонтальна и выдвинута на 2/3 своего хода у машин малой и средней мощности и на 3/4 хода — у машин большой мощности. Крутящий момент двигателя, потребный для выполнения поворотного движения, ^пов^^ст-!- ^дин>    (6.48) где Мсг — полный статический момент сопротивления поворотной части экскаватора при ее вращении относительно вертикальной оси с установившейся скоростью. Этот момент можно представить суммой Мст — Мтр-\- Мук-\- Мв,    (6.49) где Мтр — момент, создаваемый силами трения в опорно-поворот-' ном устройстве; Мв — момент от давления ветра на поворотную часть; Myh — момент, возникающий при установке машины на уклоне. Динамический момент сопротивления ^дин-    (6.50) где МдИН — момент, расходуемый на преодоление сил инерции вращающихся частей двигателя, трансмиссии и механизма поворота; МДИН —момент, расходуемый на преодоление сил инерции поворотной платформы с механизмами и рабочим оборудованием. С достаточной степенью точности можно принять Тогда ^ДИН ^Ге 2 ^^МаксАраз» где /г — момент инерции поворотной платформы с механизмами и груженым ковшом; е — угловое ускорение; U — момент инерции отдельных узлов поворотной платформы оборудования и груженого ковша относительно оси поворота; (оМакс — максимальная угловая скорость поворота; ^раз — время разгона. Зная Мат, можно определить мощность, потребную на поворот: Установленную мощность двигателя нужно выбирать с учетом совмещения отдельных операций рабочего цикла. Так, при оборудовании прямой лопатой совмещается работа подъемного и напорного механизмов. Общую мощность двигателя необходимо выбирать по наибольшему значению (6.53)
Nq — -Л^под + А^нап При оборудовании обратной лопатой и драглайном мощность привода экскаватора требуется определять исходя из того, что совмещаются операции подъема и поворота с учетом потребной мощности на работу тягового механизма. В ходовом оборудовании одноковшовых экскаваторов имеется несколько особенностей. Так, продолжительность работы его составляет примерно 12% от полного рабочего времени машины. Ходовое оборудование одноковшовых экскаваторов работает иначе, чем оборудование землеройно-транспортных машин, вследствие эксцентричного расположения его по отношению к ходовой части и переменных нагрузок на поворотную платформу. Менее строгие требования предъявляют к сцепным свойствам движителей в связи с небольшими транспортными скоростями в забоях. У экскаваторов постоянно изменяются нагрузки на ходовое оборудование в связи с изменением положения рабочего оборудования по отношению к гусеницам или колесам. Величина давления гусениц на грунт может изменяться в широких пределах — от 0,02 до 0,2 МПа, давление колес — от 0,15 до 0,5 МПа. Ходовое оборудование проверяют по условию обеспечения преодоления сопротивлений, возникающих при перемещении экскаватора в забое и на другие объекты. Возможные скорости передвижения его устанавливают по выбранной мощности привода. Расчетом проверяют также давление на грунт при наиболее невыгодном эксцентричном положении нагрузок (см. гл. 5), которые не должны превосходить несущей способности грунта. В задачу статического расчета входит определение условий устойчивости экскаватора и давлений на грунт при копании, повороте и передвижении; кроме того, этим расчетом определяют условия уравновешивания поворотной платформы. Одностороннее расположение рабочего оборудования экскаватора относительно оси его поворота и нагрузки, возникающие при копании грунта или погрузочно-разгрузочных работах, приводят к тому, что равнодействующая всех сил, действующих на поворотную платформу, может выходить за пределы опорно-поворотного устройства. Для снижения нагрузок, действующих на опорно-поворотное устройство, поворотную платформу уравновешивают при вращении в нагруженном и разгруженном состояниях с помощью противовеса. Его рассчитывают для оборудования экскаватора прямой лопатой и проверяют для других видов рабочего оборудования. Стремятся к тому, чтобы противовес уравновешивал платформу при возможно большем числе видов сменного рабочего оборудования. Если это невозможно, то применяют специальные противовесы для отдельных групп рабочего оборудования. Массу противовеса определяют исходя из условий опрокидывания платформы вперед и назад. Возможность опрокидывания вперед поворотной платформы экскаватора, оборудованного прямой лопатой, проверяют для положения, при котором стрела наклонена под углом к горизонту на 35—40°, рукоять горизонтальна и выдвинута на 2/3 своего хода, ковш наполнен грунтом. Сопротивление грунта копанию не учитывают, так как считают, что его воспринимает опорно-поворотное устройство. При этом массу противовеса Gnp можно определить из уравнения равновесия относительно точки В (рис. 6.22, а) : 0®р — [Ок+г (А —а) + Ор (4—#)-]- Gc (/3 — а) — Оп (/4 + а)]/(4 Jra)‘ (6.54) Возможность же опрокидывания поворотной платформы назад проверяют для такого положения, при котором стрела наклонена под углом 55—60° к горизонту, рукоять вертикальна, ковш без грунта находится у пяты стрелы и оперт на грунт. Значение Gnp находят из уравнения моментов сил относительно точки А (рис. 6.22, б): G”p — [Ос (‘2 Н~ а) {Ц-—а)]/{к — а)• (6.55)
Принятая величина массы противовеса Gnp $ находится из уравнения %< 0Пр.ф>0°¥. (6.56)
При проверке массы противовеса обратной лопаты для случая опрокидывания вперед предполагают, что груженый ковш вышел из забоя и экскаватор начинает поворачиваться на выгрузку. Для случая опрокидывания платформы назад предполагают, что ковш при максимальном вылете рукояти опущен на землю, его масса и .) . ь Рис. 6.22. Схема к определению массы противовеса при рабочем оборудовании прямая лопата: а — случай опрокидывания вперед; б — то же, назад полностью воспринимается грунтом, а на платформу действуют половина массы рукояти и стрелы. Для обоих случаев составляют уравнения моментов сил относительно точек Л и В (рис. 6.23). Массу противовеса при оборудовании драглайн проверяют по тем же зависимостям, что и для прямой лопаты. При проверке на Рис. 6 23. Схема к определению массы противовеса при рабочем оборудовании обратной лопатой: а —случай опрокичывания вперет, в — то же, назад опрокидывание вперед считается, что груженый ковш поднимается, стрела наклонена по отношению к горизонту на угол 30°, при опрокидывании назад — ковш опущен на грунт, угол наклона стрелы составляет 45—50°. Устойчивость экскаватора определяется соотноше-яием сил, действующих на рабочее оборудование и конструкцию машины при наиболее неблагоприятных условиях ее работы, т. е. тогда, когда помимо собственной массы элементов машины на зубья ковша действует максимальное сопротивление грунта копанию. Устойчивость машины должна быть обеспечена при любом виде рабочего оборудования. Ее оценивают коэффициентом устойчивости ky, определяемым по формуле h
где — сумма моментов сил, удерживающих экскаватор от опрокидывания; 27Vf0 — сумма моментов сил, опрокидывающих экскаватор. При определении устойчивости по основным нагрузкам экскаватора, оборудованного прямой лопатой, исходят из того, что ось поворотной платформы перпендикулярна оси ходовой части, рукоять выдвинута на полный вылет, ковш наполнен грунтом, стрела наклонена к горизонту под углом 35—40°, работа происходит на горизонтальной площадке (рис. 6.24). Рис 6.24. Схема к определению рабочей устойчивости экскаватора, оборудованного прямой лопатой
Расчет устойчивости выполняют по основным нагрузкам, обеспечивая при этом ky=\. Необходим также уточняющий расчет, при котором кроме основных учитывают динамические и ветровые нагрузки, а также возможность установки машины на наклонной площадке. В этом случае должна быть обеспечена устойчивость при &у=1,15. Коэффициент рабочей устойчивости определяют из уравнения равновесия сил, действующих на машину относительно точки А: и    Gxa + Gnp (16 + а) + Оп (/5 + а) у— Ос(/4-в)+<2р(/3-л)+Ок+г(/2-л)+/>1£(/1-в) • Проверять устойчивость машины необходимо также в транспортном положении. Для этого рассматривают условия движения экскаватора при максимальном уклоне на подъем и спуск. В обоях случаях рабочее оборудование повернуто в сторону движения, а рукоять вертикальна. При движении машины на подъем угол наклона стрелы принимают в пределах 50—60°, а при движении под уклон — 35—40°. В обоих случаях учитывают давление ветра. Удельную ветровую нагрузку принимают равной р = 0,25 кН/м2, а общую силу от действия ветра определяют по формуле Pb=pF,    (6.59) где F — наветренная площадь стрелы и кабины, м2. Устойчивость обратной лопаты проверяют по двум расчетным схемам. В первом случае (рис. 6.25, а) предполагают, что ковш встретил непреодолимое препятствие при выходе из забоя. Тяговый ho Рис. 6.25. Схема к определению рабочей устойчивости экскаватора, оборудованного обратной лопатой барабан при этом заторможен, и вся мощность двигателя расходуется на подъем рабочего оборудования. Второе расчетное положение (рис. 6.25, б) соответствует разгрузке липкого грунта на максимальном вылете ковша. Устойчивость драглайна (рис. 6 26) проверяют в положении, соответствующем повороту его на выгрузку. Угол наклона стрелы аа принимают равным 25—30°. При этом ковш наполнен грунтом и подтянут к голове стрелы, экскаватор работает на уклоне с углом 3—5°. Коэффициент устойчивости драглайна определяют по уравнению равновесия всех сил, действующих на машину относительно точки А (рис. 6.26): ^    + /Ипр + Мх — Мс — Ml -Мк+Г + ^к+г + где Ма — момент от веса поворотной платформы и агрегатов, установленных на ней; Мпр — то же, противовеса; Мх — то же, неповоротной платформы и ходовой части; Мс — то же, стрелы; Мс11 — то же, силы инерции стрелы; уИк+г — то же, ковша с грунтом; Ml+T — то же, от силы инерции ковша с грунтом; Mw — то же, от ветровой нагрузки. Опрокидывающие моменты можно определить по следующим формулам: Рис. 6.26. Схема к определению рабочей устойчивости экскаватора, оборудованного драглайном Ma=Ga cos a (/4-j-a) —С?„ sin аh7; Мпр=Gap cos а (/3 -(-а) — С?пр sin ah5; MX=GX сое а а — Gx sin а А4; MC = GC cos'a (l2 — a) — Gc sin a/z3; cos у sin у ; (6-60) 3
Mnc=(Gcw2/g) lh-\- —-—(/ sin Y~f/zcc*s y) yVfK+r=(/K+rcosa {lx — a) — GK+r sin aht; Mw=\y/>6; W = kqy_Fi, где со — угловая скорость вращения поворотной платформы; W — сила давления ветра; k — коэффициент сплошности (для сплошных стенок k=\\ для решетки & = 0,4); F — подветренные площади. Определение реакций в опорно-поворотном устройстве осложняется тем, что распространенные в последние годы шариковые и роликовые опорно-поворотные устройства представляют собой статически неопределимые системы. Экспериментально установлено, что основная часть нагрузки воспринимается шариками (роликами), расположенными между продольными балками поворотной платформы экскаватора в секторе с центральным углом рц= 60° независимо от того, выходит или нет равнодействующая нагрузка за пределы опорного контура (рис. 6.27). Равнодействующую сил, действующих на опорно-поворотное устройство, можно определить по расчетной схеме, показанной на рис. 6.28. Для этого случая значение касательной составляющей сопротивления грунта копанию Рк определяют из уравнения равновесия моментов относительно оси напорного вала всех сил, действующих на ковш и рукоять. По значению Рк следует определить Ra и Яь- ^а=[^>к(А + а)+^к+г(^2+ а) +
JrG9(li-\-a)-\-G(.(li-{-a)]l(2a) — - [ Gn (4 - а) + Gnp (l6 - а)\/(2а); Rv=[Pk{Ii — а)-\-Ок+г{12~ а) -j--\-Qp{h — й) -(- Ос (/4 — а)]/(2 а) — {h а)~\~ 0Isp(l6-{~ а)]/(2а) Рис. 6 27 Схема нагружения опорно-по-воротного устройства
Среднюю нагрузку на один шарик (ролик) можно определить по формуле P = RJtir или P = Rb[n', (6.62) где п' — число шариков (роликов) в наиболее нагруженном секторе опорного круга. Это число га' = и(Зц/(2я), (6.63) где п — количество шариков (роликов) в опорно-поворотном устройстве; |3Ц — угол дуги, заключенный между продольны- Рис 6 28 Схема к определению реакций ми балками; |3ц=60°.    в опорно-поворотном устройстве § 6.4. Особенности конструкций и рабочие процессы гидравлических экскаваторов Рабочее оборудование гидравлических экскаваторов, как правило, приводят в действие гидроцилиндры; механизмы поворота — гидроцилиндры или гидромоторы; механизмы передвижения — гидромоторы. Рабочие давления в гидравлических экскаваторах колеблются в пределах 10—35 МПа (100—350 кгс/см2). На гидравлических экскаваторах устанавливают 2—3 рабочих гидронасоса с двумя или тремя независимыми потоками рабочей жидкости, что позволяет совмещать отдельные операции, сокращая общую продолжительность цикла. Как правило, совмещают пово- рудования рот ковша и поворот рукояти, поворот платформы и подъем стрелы. Основные элементы широкой номенклатуры сменного оборудования гидравлических экскаваторов унифицированы. Один из вариантов схемы унификации показан на рис. 6.29. Основными элементами рабочего оборудования являются коренная часть стрелы 1, концевая часть ее 3, рукоять 5, гидроцилиндры 2, 4 я 6 подъема стрелы, рукояти и ковша. Эти элементы сочетаются с рабочими органами: ковшом обратной лопаты 12, ковшом прямой лопаты 8, погрузочным ковшом 9, грейфером двухчелюстным 10, грейфером многочелюстным 7, рыхлителем 11 и др. Оборудование для планировочных работ в силу специфики обычно не унифицируют с элементами основного оборудования и выпускают как специализированное. Рассмотрим устройство одноковшового гидравлического экскаватора на примере наиболее распространенной неполноповоротной модели на базе колесного трактора, показанной на рис. 6.30. На тракторе 10 установлена гидросистема 9 с баком рабочей жидкости и поворотная колонка 7, которая вращается относительно вертикальной оси гидроцилиндрами 8. С этой колонкой шарнирно соединены стрела 6 и гидроцилиндр 1 подъема стрелы. На стреле уста-ловлены рукоять 4 и цилиндр поворота рукояти 2. С рукоятью шарнирно соединен ковш 5, который может поворачиваться гидроцилиндром 3. Таким образом, копание может производиться поворотом ковша из пунктирного положения в положение 1 или поворотом рукояти с перемещением ковша в положения I, ..., V. Чаще всего при копании обратной лопатой первоначально зарезают-ся в грунт поворотом ковша, а затем заполняют ковш, срезая стружку поворотом рукояти. Рассматриваемая модель экскаватора кроме экскавационного оборудования, установленного на поворотной колонке, имеет бульдозерное оборудование 11, расположенное впереди трактора. Бульдозерный отвал поднимается или опускается гидроцилиндром 12. Рис. 6.30. Неполноповоротный гидравлический экскаватор, оборудованный обратной лопатой
На рис. 6.31 показана та же модель гидравлического экскаватора, оборудованного прямой лопатой. Как видно из сопоставления двух этих рисунков, все элементы рабочего оборудования унифицированы; для переоборудования с обратной на прямую лопату достаточно перевернуть на 180° ковш 5, закрепить его жестко на рукояти 4 оттяжкой 6 и переставить оси крепления штоков гидроцилиндров 2 и 3. При этом гидроцилиндр 3 на обратной лопате используют для поворота ковша, а на прямой лопате — для открывания днища ковша. Рис. 6.31. Неполноповоротный гидравлический экскаватор, оборудованный прямой лопатой
Рассмотрим рабочий цикл обратной лопаты. После выхода ковша из забоя стрела с рабочим оборудованием и заполненным ковшом поднимается, а поворотная платформа (или колонка) вместе с рабочим оборудованием поворачивается к месту выгрузки. Выгрузка происходит при повороте ковша, после чего платформа возвращается в первоначальное положение и ковш опускается в забой. Продолжительность полного цикла обратной лопаты без совмещения операций несколько отличается от продолжительности цикла механического экскаватора: 4~ “Ис “Нп + ^ ~Мр "Ь ^к’    (6.64) где ta — продолжительность поворота ковша при копании; tv — то же, рукояти при копании; tc — то же, подъема стрелы; ta — то же, поворота платформы к месту разгрузки; tn' — то же, поворота плаг-формы в забой; tc' — то же, опускания стрелы в забой; /р' — то же, поворота рукояти в рабочее положение; tK’ — то же, ковша в рабочее положение. Продолжительность каждой операции цикла, связанного с движением рабочего оборудования, при полном использовании ходов гидроцилиндров равно Рис 6 32 Гидравлический экскаватор, оборудованный грейфером
tt = VjnB, (6.65) где Vt — объем гидроцилиндра (или гидроцилиндров), выполняющего данный элемент цикла; Пп — расход насоса (или потока рабочей жидкости), приводящего в действие данный гидроцилиндр. Продолжительность поворота платформы определяют по выражению (6.4). Благодаря многопоточной системе привода машинист может включать одновременно два или три движения, совмещая их по времени. При этом операции, продолжительность которых меньше продолжительности совмещаемых с ними операций, можно не учитывать. Например, если продолжительность поворота ковша меньше, чем поворота рукояти, а время подъема стрелы — меньше времени поворота, общую продолжительность цикла при совмещении этих операций можно выразить так: ^ц —^р+Ат+^п’    (6.66) Принципы действия гидравлической и механической прямой лопаты одинаковы. Разница заключается в том, что все рабочие движения гидравлические экскаваторы совершают с помощью гидроцилиндров. Если у механического экскаватора стрела неподвижна во время рабочего цикла, то у гидравлического она поднимается и опускается. Ковш опорожняют открыванием его днища, как у механического экскаватора, или поворотом ковша относительно оси крепления его к рукояти. Устройство полноповоротного гидравлического экскаватора с рабочим оборудованием грейфера показано на рис. 6.32. Грунт зачерпывается при смыкании челюстей 6 под действием гидроцилиндра 5. При этом режущая кромка грейфера перемещается по траектории /, ..., V, соответствующей неподвижному расположению точки А. Рукоять 4 соединена гидроцилиндром 3 со стрелой 2, а стрела 2 гидроцилиндром 1 — с поворотной платформой экскаватора, благодаря чему напор на грунт создается силой тяжести всего экскаватора. Вследствие этого могут преодолеваться высокие значения касательных и нормальных составляющих сопротивления копанию. После подъема стрелы и поворота платформы гидромотором 7 грунт выгружается раскрытием челюстей грейфера. Устройство телескопического планировочного оборудования показано на рис. 6.33. Рабочее оборудование совершает следующие движения: поворот ковша 8 гидроцилиндром 6\ втягивание и выдвижение внутренней части стрелы 5 по отношению к наружной части Рис. 6.33. Устройство телескопического планировочного оборудования стрелы 4; поворот стрелы относительно собственной оси в обойме 8 при помощи гидроцилиндров 7; качание стрелы в вертикальной плоскости относительно цапф 9 при помощи гидроцилиндров 2. При планировке откоса, как показано на рис. 6.33, ковш заглубляется в грунт поворотом относительно оси, соединяющей его со стрелой. Равномерная стружка по всей длине откоса снимается прямолинейным телескопическим движением стрелы. После заполнения ковша стрела поднимается и платформа 1 поворачивается к месту выгрузки. При обратном повороте платформы стрела выдвигается и опускается в забой. Последующий слой грунта снимается после передвижки экскаватора на новую позицию. Планировка откоса может производиться при расположении стрелы перпендикулярно бровке откоса или под некоторым углом в плане. В последнем случае стрелу поворачивают относительно своей оси так,' чтобы режущая кромка ковша занимала наклонное положение, параллельное планируемой плоскости. Продолжительность цикла работы планировщика при совмещении операций подъема и опускания стрелы с поворотом платформы можно определить как сумму -Ь +    (6.67) где tK — время поворота ковша; /р — время рабочего хода телескопической стрелы; tn, tn' — время поворота платформы к месту разгрузки и к забою. Схема устройства шарнирно-сочлененного планировочного оборудования показана на рис. 6.34. Это оборудование совершает следующие рабочие движения: поворот ковша 1 гидроцилиндром 2; плоско-поступательное перемещение ковша двухпараллелограмм-ной рукоятью 3 при помощи гидроцилиндра 7; поворот ковша 1 относительно шарнира 9 рукояти в плоскости, перпендикулярной направлению копания при помощи гидроцилиндров 8; поворот рукояти гидроцилиндрами 5; подъем и опускание стрелы 6 при помощи гидроцилиндров 4. Подъем и опускание стрелы позволяет планировать горизонтальные площадки выше или ниже уровня стоянки (рис. 6.34). Последовательность выполнения работ шарнирно-сочлененным планировочным оборудованием такая же, как и телескопическим. § 6.5. Общий расчет гидравлических экскаваторов Расчет рабочего оборудования гидравлического экскаватора обычно выполняют в два этапа. Первоначально определяют необходимую мощность насоса по заданной производительности и рабочие размеры оборудования по техническим требованиям. На втором этапе, исходя из выбранной мощности привода, проверяют работоспособность рабочего оборудования в различных грунтовых условиях и усилия, действующие на рабочее оборудование при различных положениях ковша в забое. Предварительно выбирать мощность привода можно по усилию копания или удельной энергоемкости копания. Произвести расчет по усилию копания можно тогда, когда известны размеры частей рабочего оборудования, его конструктивная схема и скорость копания. Для выбора мощности двигателя по удельной энергоемкости копания достаточно знать только продолжительность копания, определяющуюся в зависимости от продолжительности цикла. Мощность насоса, затрачиваемая на копание поворотом рукояти или поворотом ковша, N=Pa3Kzv!n,    (6.68) где РМакс — наибольшее усилие на режущей кромке ковша, определяемое по формулам (6.12) и (6.13); v — скорость перемещения режущей кромки ковша в точке, соответствующей максимальному усилию; г] — КПД системы поворота рукояти или ковша. Для предварительного определения мощности насосов по удельной энергоемкости копания используют принцип равенства работы, отданной насосами и затраченной на копание, из которого следует, что N=qKkkJ(tK оп&р'П'По),    (6.69) где г] — КПД системы поворота рукояти или ковша; r|o=0,8-f 0,9 —-коэффициент использования мощности привода. В предварительном расчете не учитывают затраты энергии на преодоление сил тяжести рабочего оборудования и грунта, поэтому для компенсации этих затрат энергии гидронасосы и первичный двигатель выбирают с запасом. Расчеты, базирующиеся на использовании понятия удельной энергоемкости копания, позволяют предварительно определить объемы гидроцилиндров, обеспечивающих копание грунта (гидроцилиндров поворота рукояти и ковша, рабочего хода планировщика, замыкания челюстей грейфера). Исходя из равенства работ, выполняемых гидроцилиндром и затрачиваемых машиной на копание при заполнении ковша, можно записать pFuK‘r\r\o=qKkkH/kp,    (6.70) где р — давление рабочей жидкости гидросистемы; Ьц — рабочий ход поршня. Из полученного уравнения определяют потребный рабочий объем гидроцилиндра 9u=F„Ln=qKkkJ(pr\i\0kp).    (6.71) Аналогично, исходя из определения работы, затрачиваемой на преодоление сил тяжести, можно определить необходимые объемы гидроцилиндров подъема стрелы с рабочим оборудованием: где М — масса рабочего оборудования, кг; /гц — высота подъема центра тяжести рабочего оборудования, м, определяемая по разности отметок в верхнем и нижнем положениях его. Зная необходимый рабочий объем цилиндра <7Ц, можно определить его диаметр Dn и ход поршня Ln по конструктивным соображениям исходя из зависимости qa = nDlLJA.    (6.73) При этом потребная производительность гидронасоса равна na = qjt р,    (6-74) где tp — время рабочего хода цилиндра, с. Мощность привода гидронасоса Мя^Пар!ц,    (6.75) где т| — КПД гидронасоса. При совмещении операций мощность привода экскаватора составит где SiV, — сумма мощностей привода насосов, участвующих в совмещенных операциях. На современных гидравлических экскаваторах обычно совмещают две или три операции (например, подъем стрелы и поворот рукояти, подъем стрелы и поворот платформы). Во время передвижения экскаватора насосы, приводящие в действие рабочее оборудование, используют для привода передвижения. При этом выбирать производительности насосов следует с учетом обеспечения затрат энергии на передвижение машины с заданной скоростью. Исходя из предварительно выбранных размеров элементов рабочего оборудования, гидроцилиндров и гидронасосов, проводят уточненный проверочный расчет рабочего оборудования. Задача этого расчета заключается в определении работы копания, обеспечиваемой машиной, и категории грунта, который может разраба-1ывать экскаватор. Данные проверочного расчета используют также для расчета конструкции машин на прочность. Копать грунт обратной лопатой гидравлического экскаватора можно поворотом рукояти, как предусмотрено у механического экскаватора (рис. 6.35), поворотом ковша (рис. 6.36) или совмещенными движениями рукояти и ковша. Возможности обратной лопаты гидравлического экскаваюра определяют аналогично возможностям механического экскаватора: по схеме, представленной на рис. 6.35. При этом, исходя из усилия ЯЦр цилиндра рукояти, определяют возможное усилие копания Рк для положений ковша /—VI. На графике, аналогичном представленному на рис. 6.19, откладывают значения Рк и строят кривую /, затем по условиям устойчивости машины строят кривую II. Кривую III, ограничивающую усилия копания по «всплыванию» рабс-чего оборудования, не строят, так как напорное усилие гидравлического экскаватора не ограничивается массой рабочего оборудования. Сопоставив график реализуемых усилий при копании поворотом рукояти обратной лопаты гидравлического экскаватора с аналогичным графиком работы экскаватора с механическим приводом, мож-
Рис 6 35. Схема усилий, действующих Рис 6 36 Схема усилий, действующих на оборудование обратной лопаты при на обратную лопату при копании по-копании поворотом рукояти    воротом ковша но увидеть, что обеспечиваемые усилия и работа копания при гидроприводе большие из-за отсутствия ограничения по «всплыванию* рабочего оборудования. Рассмотрим процесс копания поворотом ковша. Схема усилий, действующих на ковш, показана на рис. 6.36. Усилие гидроцилиндра поворота ковша Рцк определяют по формуле Яц.к = /7Я/)2/4,    (6.76) где р — давление в гидроцилиндре. Касательное усилие на режущей кромке ковша РК=(Р«,А ± GK+TlK+T)/l»    (6.77) где 1К — плечо действия силы Рц.к относительно оси Б поворота ковша; 1\ — расстояние режущей кромки от оси Б; Ск+Г — сила тяжести ковша с грунтом; /к+г — плечо действия силы тяжести относительно оси Б. Строя график усилий в последовательности, изложенной выше, получим значение обеспечиваемой удельной энергоемкости копания &i = ^i'V<7k.    (6-78) где А\ —обеспечиваемая работа копания; г) = 0,8—0,9. При предварительном расчете и выборе размеров гидроциЛинд-ра поворота ковша необходимо учитывать, что из-за значительных реактивных усилий в гидроцилиндрах поворота рукояти и стрелы возможность копания одним поворотом ковша ограничена; обеспечиваемая удельная энергоемкость копания поворотом ковша ku как правило, меньше удельной энергоемкости, обеспечиваемой с помощью поворота рукояти k. При копании с совмещением поворотов ковша и рукояти поворот ковша в процессе копания использовать полностью не удается, так как при повороте его на определенный угол создается отрицательный задний угол в процессе копания поворотом рукояти. Обеспечиваемую удельную энергоемкость копания в этом случае приближенно можно определять по выражению 0,5^ + 0, Ik.    (6.79) Значения коэффициентов при k\ и k можно уточнить графическим построением исходя из условия, что отрицательного заднего утла на режущей кромке ковша не будет при повороте рукояти в любом рабочем положении. Рассмотрим основные нагрузки, действующие на элементы оборудования в рабочей плоскости, и ограничения, которые накладываются на выбор параметров рабочих гидроцилиндров возникающими реактивными усилиями в элементах гидросистемы. Рассмотрим наиболее характерный случай копания поворотом рукояти, показанный на рис. 6.35. Реактивное усилие в гидроцилиндре поворота ковша Рц.к с запасом в большую сторону определяют из предположения, что нормальное усилие Рп = 0: Яц.к = (^Л + Ок + Л + г)/*дк,    (6.80) где /к — радиус окружности, описываемой режущей кромкой ковша по отношению к оси Б его поворота; /к+г — плечо действия силы тяжести ковша и грунта по отношению к оси Б; /ц.к — плечо действия реактивной силы Рц.„ гидроцилиндра поворота ковша. Реактивное давление в гидроцилиндре поворота ковша Л.к = 4^ц.к/(я^),    (6.81) где DK — диаметр гидроцилиндра ковша. Максимальную величину этого давления, ограничиваемую допустимыми давлением в трубопроводах и элементах гидроаппаратуры, принимают в пределах 1,5—2,0 от номинального давления гидронасоса. Если давление рц.к превышает допустимое, необходимо пересмотреть схему рабочего оборудования и ограничить усилие Рк. Реактивное усилие в гидроцилиндре поворота стрелы при копании поворотом рукояти равно ^ц.с = (PJ'Ki-PJ'H + 0K+rl'^r + Gplp + Gc/;)/r c, r'(6.82) где PK — усилие копания; // — плечо действия силы Рк относительно оси В поворота стрелы; Рн— нормальная составляющая усилия копаик на режущей кромке ковша, принимаемая с запасом; Рн== = 0,4РК\ Gc — масса стрелы и рукояти; /н' — плечо действия силы Рн относительно оси В\ 1К+Г , lv', 1С' — плечи действия сил веса ковша с грунтом, рукояти и стрелы относительно оси В\ /ц.с — плечо действия усилия цилиндра стрелы относительно оси В. Реактивное давление в гидроцилиндре поворота стрелы p' = 4RuJ(nD2J,    (6.83) где Dc — диаметр гидроцилиндра стрелы. За расчетное положение рабочего оборудования при определении реактивного давления в гидроцилиндре стрелы принимают положение / на рис. 6.35, при котором реактивное усилие гидроцилиндра стрелы является наибольшим. Рис. 6.37. Схема усилий, действующих на обратную лопату при встрече с непреодолимым препятствием
При копании поворотом ковша (рис. 6.36) реактивное усилие в гидроцилиндре поворота рукояти определяют из уравнения моментов всех сил, действующих на систему рукоять — ковш относительно шарнира А; реактивное усилие в гидроцилиндре поворота стрелы — из уравнения моментов сил, действующих на рабочее оборудование относительно шарнира В. При этом силу Рн принимают с запасом, Рн = = 0,4 Рк. Для оценки возможных реактивных усилий, возникающих при работе обратной лопаты, необходимо учитывать случай встречи ковша с непреодолимым препятствием (камнем, трубой и т. п.) при подъеме рабочего оборудования гидроцилиндром стрелы. Максимально возможное касательное усилие на режущей кромке ковша при этом возникает в положении V по схеме на рис. 6.37 и равно P^(P«A-GJl-G/p-GK+rrK+T)irK’    (6-84) где /с, 1С", 1$", h+т—плечи действия усилий в гидроцилиндрах стрелы, весов стрелы, рукояти и ковша с грунтом относительно шарнира В\ 1к — плечо действия силы Рк, направленной по касательной к окружности, описываемой режущей кромкой ковша при повороте рабочего оборудования относительно шарнира В. В этом случае реактивное усилие и реактивное давление в гидроцилиндре поворота ковша определяют из уравнения моментов сил, действующих на ковш относительно шарнира 2>; реактивное усилие и реактивное давление в гидроцилиндре поворота рукояти — из уравнения моментов сил, действующих на систему рукоять — ковш относительно шарнира А. Давления в гидроцилиндрах ограничивают так же, как указано выше. Найденные усилия копания и усилия, развиваемые гидроцилиндрами, позволяют определить усилия, действующие на элементы рабочего оборудования. Рассмотрим в качестве примера методику определения этих усилий при копании поворотом рукояти. Усилие, действующее на рукоять в точке Б для случая копания поворотом Рис. 6.38. Определение усилий, действующих на элементы обратной лопаты: а — определение усилия, действующего на рукоять в точке Б; б — то же, действующих на рукоять и стрелу в точках А и В-, в — схема усилий, действующих на рукоять, s — то же, на стрелу рукояти, по схеме сил, соответствующей положению V на рис. 6.35, определяют графически по рис. 6.38, а. Способ определения усилий, действующих на рукоять и стрелу в шарнирах А и В, для того же расчетного случая показан на рис. 6.38, б. При этом сплошными стрелками показан многоугольник сил, действующих на рукоять, а пунктирными стрелками — на стрелу. Схема усилий, действующих на рукоять, показана на рис. 6.38, в; схема усилий, действующих на стрелу, показана на рис. 6.38, г. Разложив полученные усилия на составляющие — вдоль нейтральной оси сечения и перпендикулярную к нему — находят изгибающие моменты, а также растягивающие усилия в опасных сечениях стрелы и рукояти. Копание грунта прямой лопатой происходит при поворотефуко-яти, как это показано на рис. 6.39. Кромка ковша перемещается по дуге /,..., VI] усилие Рк в каждой точке траектории определяют из уравнения сил, действующих на систему рукоять — ковш относительно точки А, исходя из усилия гидроцилиндра поворота рукояти. Работоспособность оборудования проверяют аналогично работоспособности оборудования механического экскаватора (см. график на рис. 6.9). Он? ограничивается условиями мощности привода (кривая I) и устойчивости машины (кривая II). Площадь, ограниченная кривыми / и II, выражает реализуемую работу копания. При этом удельную работу копания, обеспечиваемую прямой лопатой, определяют по выражению (6.25). Способ определения усилий в элементах оборудования прямой лопатой аналогичен рассмотренному выше определению усилий в элементах обратной лопаты. Для прямой лопаты с неповоротным ковшом, показанной на рис. 6.39, расчет упрощается, так как рассматривают один случай — копание поворотом рукояти и определяют реактивное усилие лишь в гидроцилинцре стрелы. Рис 6 39 Схема усилий, действующих на рабочее оборудование прямой лопаты гидравлического экскаватора
Копание грунта гидравлическим грейфером производится замыканием челюстей при помощи гидроцилиндра грейфера, как это показано на рис. 6.32. Предполагают, что гидроцилиндры 1 и 3 заперты и точка А подвески грейфера, жестко связанная со стрелой экскаватора, неподвижна. Траектории перемещения режущих кромок челюстей грейфера при этом предположении построены на рис. 6.40. При неподвижной точке подвески А нижняя головка грейфера В под действием гидроцилиндра замыкания челюстей проходит последовательно положения 1, 2, ..., 6, а режущие кромки челюстей — соответствующие положения Г, 2', ..., 6'. Задавшись соотношением нормальной и касательной составляющих усилий копания Рн/Рк, можно найти направления и величины результирующих усилий на режущих кромках челюстей Р/ и Р2 в любом положении челюстей от единичного значения усилия (например, при Pj\ = = 1 кН). Для этого случая принимают Рн = (0,3-^0,7)РК в зависимости от плотности грунта. Графический метод определения усилий в элементах грейфера при единичном значении усилий Рьi и соответствующих им значений Pi' и Р2 показан на рис. 6.40, б. Для упрощения построения эпюры сил считают, что вся масса грейфера G сосредоточена в точке А. Из многоугольника внешних сил, показанного на графике жирными линиями, находят усилие P0i — пригрузка грейфера, а из многоугольника внутренних сил, обозначенного тонкими линиями,— усилие гидроцилиндра замыкания челюстей Рп, соответствующее единичным значениям усилия Рщ. Наибольшее фактическое усилие гидроцилиндра, завися/Цее от давления гидросистемы, Pr=n[Dl-Dl)plA,    (6.85) где Вц — диаметр цилиндра; Dm — диаметр штока; р — давление в гидросистеме. Из соотношения Рг и Рг1 определяют масштаб графика на рис. 6.40, б: т = Рг/Рг1.    (6.86) Рис. 6.40, Определение усилий, действующих на элементы жесткого грейфера: а — схема перемещений; б —график усилий Наибольшее фактическое усилие пригрузки, складывающееся из силы тяжести грейфера G и прижимающего усилия стрелы Рс, равно P0 = mP0i,    (6.87) откуда прижимающее усилие стрелы Pc = mP0i-G.    (6.88) Касательное усилие на режущей кромке грейфера • Рк=тРк1.    (6.89) Отложив по оси абсцисс отрезки 1-2, 2-3, ..., 5-6 и определив значения Рк в точках 1', 2', 6', можно построить уточненный график изменения усилий копания при замыкании челюстей и найти площадь А, выражающую работу копания, выполняемую грейфером. Полная удельная энергоемкость работы, выполняемой грейфером, где q — емкость грейфера; т1о = 0,7ч-0,8 — коэффициент использования возможностей работы копания. Разрабатывать грунт телескопическим планировщиком можно поворотом ковша или втягиванием телескопа стрелы, как эго показано на рис. 6.41. При копании поворотом ковша его режущая кромка перемещается из положения I в положение VI под действием усилия Рц.к гидроцилиндра поворота ковша. Расчет обеспечиваемой удельной энергоемкости при этом выполняют аналогично расчету обратной лопаты. При копании телескопическим движением стрелы режущая кромка ковша перемещается из положения I' в положение VI'. Примем PH=DPK, где D = 0,4-^-0,6 — соотношение между нормальной и касательной составляющими усилия копания. При таком предположении величину реакции в опоре Г телескопической части стрелы можно определить по уравнению моментов сил относительно опоры В для каждого рассматриваемого положения: ^2= (PJV.K + DPJp.n— Gc sin a/c — GK+r sin alK+T)/l, (6.91) R2=D,Pk-D2,    (6.92) где Gc, GK+r— массы стрелы и ковша с грунтом; а — угол наклона телескопической стрелы к горизонту; /р.к, 1Р.Н, 1С„ 1К+Г — плечи действия сил Рк, Рн, Gcsina, GK+rsina относительно опоры В; /— расстояние между опорами В и Г в данном положении телескопической стрелы; Dx= (/рк + £>/рн)//', Аг= (Gc sin a/c + GK+r sin alK+r)ll. Абсолютную величину реакции в опоре В определяют по аналогичному выражению Rx = DZPK-D„    (6.93) где A = +    A = (Gcsina/;-f Gft+r^+rv/; Гк, /'д, Гс , I'KJ_T — плечи действия сил Рк, Рн, Gc sin a, GK+rsina, относительно опоры Г. Усилие на режущей кромке ковша равно PK = Pr — Gc сова — GK+r cos a — p. (R1 + /?2)>    (6.94) где 1Л = 0,1 — приведенный коэффициент трения на катках опор телескопической части стрелы; Рт — усилие, развиваемое гидроцилиндром телескопа стрелы. После подстановки значений R2 и Ri из выражений (6.92) и (6.93) получим Р _ РГ — Gc cos Я — Gjt + г cos СС + (Дг + Dj)    /g К—    1 +(!(£>!+Z)3) Построением, аналогично предыдущему, графика усилий на режущей кромке ковша в положениях /, II, IV, находим обеспечиваемую работу копания А и удельную энергоемкость копания k. При копании поворотом ковша или втягиванием телескопической стрелы возникает реактивное усилие в гидроцилиндре подъема стрелы Rc=(RJp.K + РА а - GJC - GK+A+r)/z,    (6.96) где Рк — касательное усилие копания, определяемое по выражению (6.95); Рн — нормальная составляющая усилия копания; Рн=^ = (0,4ч-0,6)Рк; /р.к, /рН, /с, /к+г, / — плечи действия сил РК) Рц, Gc, GK+r, Rс относительно оси А поворота стрелы. Стрелу рассчитывают как консольную балку, опертую в точке А и нагруженную усилиями Рк, Рн и Рс. Усилия на опорах телескопической части стрелы определяют по выражениям (6.91) и (6.93). Телескопические планировщики отличаются компактностью рабочего оборудования, позволяющей выполнять работы в самых стесненных условиях. Недостатки их заключаются в сложности конструкции телескопической стрелы и необходимости подвода рабочей жидкости к прямолинейно перемещающимся рабочим элементам. Более просты по конструкции шарнирно-сочлененные планировщики, у которых для прямолинейной траектории движения ковша применены поворотные движения элементов рабочего оборудования. В качестве примера рассмотрим шарнирно-сочлененное планировочное оборудование, схема которого показана на рис. 6.34. Метод определения работоспособности оборудования при копании поворотом ковша ничем не отличается от аналогичного расчета, приведенного выше для обратной лопаты. Для выявления работоспособности шарнирно-сочлененного планировочного оборудования при прямолинейном передвижении ковша под действием гидроцилиндра двухпараллелограммной рукояти следует первоначально определить пути перемещения режущей кромки ковша при соответствующих перемещениях штока гидроцилиндра. Допустим, что положениям 1, 2, ..., 7 по рис. 6.42 штока гидроцилиндра соответствуют положения Г, 2..., Т режущей кромки ковша и ходам штока /ь h, h соответствуют перемещения V, k', ..., W режущей кромки ковша. При этом исходя из принципа равенства работ усилия на режущей кромке для каждого из положений будут равны: Рис. 6.42. Схема усилий, действующих на шарнирно-сочлененный планировщик
Ki = PaJHn    (6-97) где Рк / — среднее усилие, развиваемое гидроцилиндром во время копания на пути //. Из ряда значений PKi находят его минимальную величину РКМин и определяют возможную толщину снимаемой стружки из соотношения h = PKMJ(kb),    (6.98) где k — удельная энергоемкость копания для данного грунта; b — ширина ковша. Поскольку при планировочных работах требуется выдерживать постоянную толщину стружки, в зависимости от прочности грунта можно найти степень наполнения ковша K=bhLkv!qK,    (6.99) где qK — вместимость ковша; L — длина его хода. Определение рабочих усилий Рк позволяет найти максимальные значения реактивных усилий в гидроцилиндрах 2, 3, 6, 13 и нагрузок, действующих на элементы рабочего оборудования. § 6.6. Гидравлические приводы одноковшовых экскаваторов Основными конструктивными элементами гидравлического привода одноковшового экскаватора являются силовая установка, включающая первичный двигатель и насосную группу, распределительная система в виде золотников и аппаратов управления, гидроцилиндры рабочего оборудования, гидроцилиндры или гидромоторы механизма управления, гидромоторы хода, следящая система рулевого управления, гидроцилиндры вспомогательных механизмов (например, аутригеров), системы очистки и охлаждения рабочей жидкости. Рассмотрим в качестве примера блок-схему гидропривода, показанную на рис. 6.43. От насосов рабочая жидкость подается к распределительным блокам 2 и 3. Блок 2 обеспечивает питание гидромотора поворота 6 и механизма поворота рукояти, а также дополнительного механизма грейфера. Блок 3 питает гидромотор ходового механизма 9, гидроцилиндры подъема стрелы 10, поворота ковша 11 и ковша погрузчика 12, замыкания челюстей грейфера 13. Кроме основных рабочих насосов на машине установлен вспомогательный шестеренный насос 14, который через распределители 4 и 5 подает жидкость к гидроцилиндрам поворота грейфера 16 и поворота колес 15 Отработавшая жидкость через фильтры 17, 18, 19 идет в бак. 20 Распределительные блоки 2 и 3 могут подавать к механизму хода и поворота рукояти объединенные или раздельные потоки обоих насосов. Такое исполнение гидросистемы позволяет ускорить копание и получить два диапазона скоростей хода. У сдвоенных насосов 1 имеется общий механизм поворота люлек. При повышении суммарного давления в магистралях поворотом люлек снижается подача насосов В случае понижения давления подача повышается и благодаря саморегулированию обеспечивается полное использование мощности первичного двигателя без его перегрузки. Силовая установка гидравлического одноковшового экскаватора состоит из двигателя, раздаточной коробки и группы гидронасосов. При включении двигателя гидрораспределитель находится в таком положении, при котором напорная магистраль соединена со сливом и насосы работают вхолостую. Схема одного из типов силовой установки показана на рис. 6.44. Раздаточная коробка прикреплена фланцем к картеру двигателя 1. Вал отбора мощности соединен муфтой с входным валом раздаточной коробки. От этого вала движение передается двум шестерням, соединенным с блоком спаренных насосов 3. Насосы здесь применены аксиально-плунжерные. При качании люлек подача их изменяется, угол наклона люлек и соответственно подача насосов регулируется суммирующим регулятором 4, к которому подается давление от напорных магистралей 5 двух насосов. Внешняя характеристика сдвоенных насосов показана на рис. 6.45. При увеличении давления в напорной магистрали одного из насосов снижается подача рабочей жидкости обоими наео-сами одновременно. Рис. 6.44. Схема силовой установки
При равной частоте вращения насосов, связанных механической передачей, на более нагруженном насосе развива-' ется большее давление и соот-вественно реализуется большая мощность. Таким образом, при постоянной мощности первичного двигателя перераспределяются потоки мощности между исполнительными органами, а суммарная потребляемая мощность автоматически сохраняется стабильной в широком диапазоне за счет изменения рабочих скоростей. Поворотные механизмы у полноповоротных и неполноповоротных экскаваторов существенно различаются. Неполноповоротные экскаваторы, как правило, по-^ |    ворачиваются при помощи гид роцилиндров, а полноповоротные — гидромоторами. L маис
Схема поворотного механизма, приводимого в действие гидроцилиндрами, показана на рис. 6.46. Штоки гидроцилиндров 1 соединены втулочно-ро-ликовой цепью 2 со звездочкой Ч*/С
^^макс Рис 6 45 Внешняя характеристика сдвоенных насосов
3, сидящей на валу 4 поворотной колонны. При подаче рабочей жидкости в надпоршневую полость одного из гидроцилиндров шток его втягивается, поворачивая цепью вал поворотной колонки 4. Второй конец цепи одновременно перемещает шток второго цилиндра. Реверсирование поворота производится распределителями гидросистемы. В моменты включения механизма или при резких остановках срабатывают предохранительные клапаны гидросистемы; таким образом, разгон и торможение машины происходят при постоянном давлении настройки клапана и соответствующем этому давлению крутящем моменте. Перепуск рабочей жидкости через предохранительные клапаны нагревает ее. Схема поворотного механизма, приводимого в действие ^идро-мотором, показана на рис. 6.47. От гидромотора через двух- или трехступенчатый редуктор 2 движение передается поворотной шестерне 5. Последняя обегает венец 6, закрепленный на ходовой части машины, и поворачивает платформу 3, размещенную на поворотном круге 4. Разгон и торможение поворотной платформы происходит с помощью распределителей и клапанов гидравлической системы. Платформа в транспортном положении стопорится специальными механическими фиксаторами. Гидравлические экскава-Рис. 6.46. Схема механизма поворота с при- торы ВЫПОЛНЯЮТСЯ на гусеводом гидроцилиндрами    ничном или пневмоколесном
ходу. Машины одной размерной группы на гусеничном и пневматическом ходах имеют, как правило, унифицированные поворотные платформы со всеми агрегатами. Гусеничные машины могут приводиться в движение при помощи двух гидромоторов или одного. При наличии двух гидромоторов каждая гусеница приводится своим гидромотором через передаточный (как правило, планетарный) редуктор. Рис 6 47. Схема механизма поворота с приводом от гидромотора
Управляют такой машиной с помощью гидравлической аппаратуры. Наличие гидромоторов обеспечивает независимое реверсирование каждой гусеницы. При движении одной гусеницы вперед, а второй — назад машина поворачивается относительно собственной оси на месте, маневренность ее повышается. При установке на экскаваторе одного гидромотора хода гусеницы включаются механически, а поворачивают его стопорением одной из гусениц. Гидравлический экскаватор на пневмоколесном ходу может иметь привод всей ходовой части от одного гидромотора или каждого колеса от своего гидромотора. При любом из видов привода поворотом машины управляют рулевым механизмом с гидроусилителем, включенным в следящую систему с обратной связью (при ней каждому положению рулевого колеса соответствуют определенные положения ходовых колес). На рис. 6.48 показана гидрокинематическая схема пневмоколес-ного эйскаватора с приводом ходовой части от одного гидромотора. Двигатель 3 приводит в движение сдвоенные гидронасосы 2. связанные с гидробаком 1. Рабочая жидкость от одного из насосов при помощи распределителей 4 может подаваться к гидромотору 6 механизма поворота 7 или к гидромотору 5 механизма хода. Распре- Рис 6.48 Гидрокинематическая схема пневмоколесного экскаватора делители позволяют также направлять рабочую жидкость от обоих насосов к механизму хода, что необходимо для обеспечения транспортных скоростей экскаватора. От гидромотора движение передается коробке 9, с помощью которой можно получить две скорости. Выходной вал коробки передает движение переднему 11 и заднему 8 мостам ходовой части. Передний мост может отключаться муфтой 10, что целесообразно делать при движении экскаватора с высокой скоростью по хорошей дороге во избежание повышенного износа резины. В механизме передвижения предусмотрена установка аварийного тормоза, дополняющего систему гидравлического торможения машины. ГЛАВА 7 ЭКСКАВАТОРЫ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ Экскаваторами непрерывного действия называют землеройные машины с активными рабочими органами, которые копают грунт и перемещают его одновременно и непрерывно. Непрерывность рабочего процесса и использование всего рабочего времени на экскавацию грунта обеспечивают более высокую производительность экскаваторов непрерывного действия по сравнению с одноковшовыми экскаваторами цикличного действия, у которых на экскавацию грунта затрачивается не более 1/3 рабочего времени, остальные же 2/3 его расходуются на перемещение рабочего оборудования и грунта. Вместе с тем экскаваторы непрерывного действия менее универсальны, чем одноковшовые цикличного действия, и их можно применять на работах строго определенного характера как по форме выемки, так и по грунтовым условиям. Наиболее широко применяют в строительстве многоковшовые экскаваторы линейного действия для получения протяженных выемок прямоугольного и трапецеидального сечений. Эти экскаваторы используют на прокладке нефте- и газопроводов, водопроводных, канализационных и коммуникационных линий, при сооружении каналов и водоводов в мелиоративном строительстве. При разработке карьеров строительных материалов (глины, гравия, песка) также применяют экскаваторы непрерывного действия. Преимуществом их на работах этого вида наряду с высокой производительностью является измельчение добываемого сырья (особенно глины) до однородной массы, необходимой для последующих операций ее обработки. Применение экскаваторов непрерывного действия ограничивает наличие в грунте крупных каменистых включений. Линейные размеры включений, как правило, не должны превышать >/з ширины ковша. Экскаваторы непрерывного действия различают в зависимости от характера перемещения и конструкций рабочих органов, типов привода, транспортирующих органов и ходовой части. § 7-1. Классификация и особенности рабочих процессов. Рабочие и транспортирующие органы Схема классификации экскаваторов непрерывного действия показана на рис. 7.1. Различные типы экскаваторов непрерывного действия отличаются в основном характером перемещения рабочих органов и их типами. По характеру перемещения рабочего органа землеройные машины непрерывного действия разделяют на машины продольного, поперечного и радиального копания. У машин продольного копания направление копания совпадает с направлением перемещения рабочего органа. К этой группе машин относятся машины с цепными и роторными рабочими органами, ковшового и бесковшового типов, предназначенные для получения протяженных выемок прямоугольного и трапецеидального сечения. Машины поперечного копания отличаются тем, что плоскость движения режущих элементов их рабочих органов перпендикулярна направлению перемещения этих органов. К этой группе машин относят машины с цепным рабочим органом ковшо- Рис. 7.1. Классификация экскаваторов непрерывного действия вого типа, предназначенные для карьерных, планировочных и мелиоративных работ. У машин радиального копания плоскости движения режущих' элементов поворачиваются в процессе работы относительно вертикальной оси. К ним относятся, в первую очередь, роторные стреловые экскаваторы, у которых вращающиеся роторы одновременно поворачиваются вместе со стрелами относительно оси вращения поворотной платформы. Машины этого типа предназначены для выполнения вскрышных, карьерных работ и образования крупных выемок. На экскаваторах непрерывного действия применяют цепные и роторные рабочие органы. Цепной рабочий орган (рис. 7.2) представляет собой цепь 1 на звеньях которой закреплены ковши или режущие элемепы 2. Цепь приводится в движение от звездочек 3 верхнего турасного вала и огибает нижний (полевой) турас, выполненный в виде блоков 5, свободно сидящих на оси. Верхняя ветвь ковшовой цепи опирается на поддерживающие ролики 4, а нижняя может перемещаться в жестких направляющих (рис. 7.2, а) или свободно провисать (рис. 7.2, б). При движении цепи в направляющих ковши движутся прямолинейно и сопротивление копанию, приложенное к режущей кромке, не может повернуть ковш,— этому препятствуют реакции на J Рис. 7.2. Цепной многоковшовый рабочий орган: и — цепь в направляющих; б — свободно провисающая цепь; в — встреча ковша, закрепленного на свободно провисающей цепи, с препятствием; 1 — цепь; 2 — ковш; 3 — звездочки верхнего турасного вала; 4 — верхние поддерживающие ролики; 5—огибные блоки; 6 — направляющие направляющих. При движении цепи в направляющих обеспечивается ровная поверхность забоя. Однако при встрече с непреодолимым препятствием поднимается вся ковшовая рама, которую для этого устанавливают на гибкой подвеске. Встреча с препятствиями ковшовой цепи приводит к высоким динамическим нагрузкам и нарушает ход рабочего процесса. При свободно провисающей цепи ковш при копании поворачивается вместе со звеном цепи, на котором он закреплен, и удерживается в рабочем положении за счет натяжения цепи. На рис. 7.2, в показан случай встречи ковша, закрепленного на свободно провисающей цепи, с препятствием. Усилие на режущей кромке создает момент Ph, который уравновешивается натяжением цепи Рц на плече ho, стремящимся повернуть ковш в обратном направлении. Величина Рц в значительной степени зависит от первоначального натяжения цепи, определяющего ее свободное провисание. Если цепь чрезмерно натянута, то плечо h0 окажется малым, а усилие Рц для воспринятая момента Ph потребуется большое. Все элементы цепи при этом будут испытывать высокие нагрузки. При недостаточном первоначальном натяжении цепи ковши во время работы будут поворачиваться на очень большой угол. Это приведет к рывкам при выходе ковша из забоя, колебаниям цепи и динамическим нагрузкам. Поэтому для обеспечения нормального рабочего процесса весьма важно выдерживать оптимальное натяжение цепи. При свободно провисающей цепи, хотя ровная поверхность забоя не выдерживается, но ковши могут более свободно обходить непреодолимые препятствия в грунте. При встрече с камнем, как показано на рис. 7.2, в, ковш отклоняется и обходит его. Такой процесс повторится несколько раз, пока камень не оголится и ковш не захватит его. Учитывая указанные особенности рабочего процесса, цепи с жесткими направляющими применяют для грунтах без каменистых включений, в частности на экскаваторах поперечного копания для разработки глины в карьерах. Свободно провисающие цепи устанавливают на машинах, работающих в разнообразных грунтовых условиях, включая грунты с каменистыми включениями, в частности на всех траншейных экскаваторах. работы в однородных Рис. 7.3. Схема заполнения ковша грунтом
В процессе работы ковш цепного экскаватора совершает сложное движение: вместе с цепью он перемещается относительно машины, а вместе с машиной — по отношению к разрабатываемому грунту. Методы определения абсолютных траекторий и скоростей движения ковшей (или режущих элементов) описаны ниже. Во время движения вдоль забоя ковш снимает стружку шириной b и толщиной hc. У экскаваторов продольного копания ширина стружки равна ширине ковша (рис. 7.3); у экскаваторов же поперечного копания она зависит от скорости перемещения их и всегда меньше ширины ковша. Если длина забоя будет равна L, то объем снятой стружки с учетом коэффициента разрыхления kp составит qc = bhcLk?.    (7-1) Этот объем должен быть равен объему ковша qK, умноженному на коэффициент наполнения: qKkK=bhzLk9. Отсюда толщина снимаемой стружки hc=qkJbLk р.    (7.2) В бесковшовом рабочем органе режущие элементы закреплены непосредственно на цепи и срезаемый грунт увлекается ими или специальными транспортирующими элементами вдоль забоя. В результате движения режущих элементов образуется поток грунта сечением F = bh0k3,n, где h0 — высота режущих (транспортирующих) лопаток; /гзп= = 0,34-0,5 — коэффициент заполнения рабочего пространства. Исходя из равенства объемов срезаемого и транспортируемого грунта, можно записать bhcnk?=bh0k3mn, где п — число режущих элементов, находящихся одновременно в забое. Откуда находим допустимую толщину снимаемой стружки v3 Рис. 7.4. Схема работы многоковшового роторного рабочего органа экскаватора продольного копания:
fic=hQk3J(nkp).    (7.3) С превышением толщины снимаемой стружки рабочее пространство переполняется, грунт ссыпается обратно и производительность машины снижается. Толщину снимаемой стружки регулируют выбором скорости перемещения экскаватора. Роторный многоковшовый рабочий орган отличается от цепного тем, что ковши его закреплены на вращающемся роторе, а не на движущейся цепи. У роторного рабочего органа в отличие от цепного нет большого количества шарниров, отсутствуют динамические нагрузки, возникающие из-за неравномерности скорости движения цепи, более высокий КПД. Благодаря этому можно применять более высокие скорости копания и достигать большей производительности. Вместе с тем цепной рабочий орган для траншейных экскаваторов обеспечивает большую глубину копания при равных габаритах машины. / — ковш; 2 — течка защитного кожуха; 3 — конвейер; 4 — нижний ковш
На рис. 7.4 показана схема работы многоковшового роторного рабочего органа продольного копания. Ковши срезают грунт и поднимают его вверх к месту разгрузки. Для того чтобы грунт не высыпался из ковшей во время подъема, предусматривается внутренний защитный кожух. В месте разгрузки кожух прерывается и переходит в течку 2, направляющую грунт на разгрузочный конвейер. Ротор вращается с окружной скоростью v0 и одновременно вместе с экскаватором перемещается со скоростью иэ. При этом нижний ковш, совершая вращательное движение относительно оси ротора и поступательное движение вместе с ротором, снимает стружку, очертание которой заштриховано. Толщина снимаемой стружки в радиальном направлении — величина переменная. В первом приближении ее можно определить по формуле hc=c sin ср,    (7.4) где с — подача на один ковш, равная толщине стружки в горизонтальном направлении. Поскольку в горизонтальном направлении толщина стружки на всей высоте забоя постоянная и равна подаче, общая площадь снимаемой стружки составит F=ch. При этом объем снимаемой стружки с учетом коэффициентов разрыхления и наполнения должен быть равен объему ковша: qK=hcbk p/kH,    (7.5) а подача c=qKkJ{hbkp).    (7.6) Конструктивную производительность землеройных машин непрерывного действия определяют по выносной способности, под которой понимают наибольший возможный объем грунта, транспортируемого экскаватором в единицу времени. Для экскаватора с ковшовым рабочим органом конструктивная производительность nK=qKnkR/k р,    (7.7) где qK — объем ковша; п — число ссыпок в единицу времени. Для экскаваторов с бесковшовым рабочим органом nK=vpFpk3_r,/kp,    (7.8) где ур — скорость движения рабочих или транспортирующих элементов; Fv — площадь сечения рабочего пространства; йзп— коэффициент его заполнения. Техническую производительность землеройной машины непрерывного действия определяют по балансу мощности в заданных производственных условиях: Я==(ЛГДВ-ВД26;,    (7.9) где Ыяв — мощность двигателя, используемая длительное время (обычно 0,8—0,9 от номинальной мощности); N0 — мощность двигателя, расходуемая на затраты энергии, не зависящие от производительности (обслуживание систем двигателя, управления, холостой ход механизмов); — удельные затраты энергии на копание, транспортирование грунта, перемещение рабочего органа и всей машины, пропорциональные ее производительности. Выражение (7.9) можно представить в ином виде: П— (N№ — N o)/ko,    (7.10) где k0 = 'Zki — суммарная энергоемкость производственного процесса в заданных условиях. При данной номинальной мощности двигателя производительность землеройной машины непрерывного действия зависит от категории разрабатываемого грунта, глубины выемки, дальности отвала и других условий производства работ. Предполагая изменения переменных факторов, независимыми, можно определить среднюю (ожидаемую) производительность машины на данном объекте или на совокупности объектов: I7=(N№-N0)/k0, (7.11)
где ка — математическое ожидание суммарной удельной энергоемкости рабочего процесса на данном объекте или совокупности объектов. В качестве транспортирующих органов землеройных машин непрерывного действия широко используют ленточные конвейеры. В последние годы наблюдается тенденция к увеличению скоростей ленточных конвейеров и применению в ряде случаев метателей. с) Рис. 7.5. Схемы конвейеров: а—прямолинейного; б— криволинейного; в — V-образного Особенностями ленточных конвейеров землеройных машин непрерывного действия являются их малая длина, при которой значительную роль приобретают условия разгона грунта на конвейерной ленте, затраты мощности на разгон грунта, а также использование кинетической энергии для увеличения дальности отброса грунта. Вследствие этих особенностей методы расчета и конструктивные решения конвейеров землеройных машин существенно отличаются от общетранспортных. С целью улучшения условий разгона и увеличения дальности отброса грунта на экскаваторах продольного копания применяют дуговые и V-образные конвейеры. Схемы различных типов конвейеров показаны на рис. 7.5. Прямолинейные конвейеры (рис. 7.5, а) просты по конструкции, но разгон грунта при этом происходит на наклонном участке, из-за чего невозможно сообщить ему высокую скорость на малой длине участка. V-образный конвейер (рис. 7.5, в) обеспечивает интенсивный разгон грунта на горизонтальном участке и сбрасывание его под необходимым углом к горизонту для увеличения дальности выброса. Дуговой конвейер (рис. 7.5, б) тоже обеспечивает хорошие условия разгона и выброса грунта. Положительным его качеством является также возможность перемещения конвейера по дуге в левую и правую стороны от оси экскаватора, чем обеспечивается выброс грунта на любую нужную сторону. Недостаток этого вида конвейера — конструктивная сложность, особенно при реверсивном приводе для движения в любую сторону. На рис. 7.6 показана схема прямолинейного ленточного конвейера, установленного под некоторым углом а к горизонту. Общую длину конвейера L можно разбить на три зоны: зону загрузки 13, в которой грунт поступает на конвейер, зону разгона 10, на который грунт разгоняется до скорости ленты, и зону равномерного движения грунта длиной L—13—10 со скоростью, равной скорости ленты. В зоне загрузки по мере поступления грунта на ленту количество его, проходящее через каждое поперечное сечение в единицу времени, возрастает. На участке /о количество проходящего грунта сохраняется, но площадь поперечного сечения грунта по мере увеличения приобретенной скорости уменьшается. На участке L—/3—/0 скорость и поперечное сечение грунта сохраняются стабильными. Рис. 7.6. Схема движения грунта на ленточном конвейере
Дифференциальное уравнение движения элементарной массы грунта, лежащей на ленте конвейера, имеет вид dt
= g-(;x cos a — sin a), (7.12) где [х — коэффициент трения грунта о ленту. Разделив переменные и проинтегрировав полученное уравнение в пределах от и0 До v и от 0 до t, получим V    t Г dv=g (р- cos a — sin a) f dt. v0    о Отсюда xi = v0^rg (jj, cos a— sin a) t,    (7.13) где v0 — скорость поступления грунта на ленту конвейера; v — переменное значение скорости элементарной массы грунта. Учитывая, что v = dl/dt, уравнение (7.13) можно представить в виде | dl—g (ja cos a — sin a) ^tdt^v^ ^ dt, a    oo откуда l=g{l>‘ cos a — sin a)t2l2-\-v0t.    (7.14) Из выражения (7.13) найдем значение t, при котором элементарная масса грунта достигает скорости v: g (р cos а — sin a) Подставив значение t из выражения (7.15) в (7.14), найдем длину участка разгона грунта г<2 — v% 1=-2-•    (7.16) 2g (jj. cos a — sin a) Длина участка конвейера, на котором скорость грунта достигает скорости ленты конвейера и прекращает относительное скольжение грунта по ленте, будет равна /=-vJLZ^--(7.17) 2g ((л cos а— sm a) где ул — скорость движения ленты конвейера. Из изложенного следует, что скорость движения потока грунта и его сечение являются переменными. При этом производительность ленточного конвейера землеройной машины определяют с учетом условий формирования потока грунта в конце зоны загрузки, которую проходит весь грунт, поступающий на конвейер. Скорость движения грунта в каждом элементарном слое исходя из выражения (7.16) при fa=0 равна z)=V 2gl(p cos a — sin a), где l=hlzjh0 — длина пути разгона в данном слое; h0 — высота выходного сечения приемной части конвейера. Рассмотрим условия формирования потока грунта в зоне загрузки. Выделим элементарный участок dl (см. рис. 7.6) на зоне загрузки /3. Из условия непрерывности потока получим элементарную производительность экскаватора на участке dl7=v3bdl = bdhyr2gl(p cos a — sm a), где b — ширина загрузочного устройства; vs — скорость поступления грунта в загрузочное устройство; I — расстояние от элементарного участка до конца зоны загрузки; р— коэффициент трения между движущимися слоями грунта. Разделив переменные, получим bdljV2gl c°s a — sin a) = bdhjv3 1з    h° I" bdljY^gl (^ cos a — sin a)= j bdhjv3. о    о Отсюда находим высоту слоя грунта, выходящего из зоны загрузки: hQ—2vJ,3bjbY2gh{V‘ cos a — sin a).    (7.18) Поскольку v3l3b = n, получим производительность экскаватора при прямоугольном сечении потока грунта Г1= h0b V%gh{^ cos a — sin a) или в общем виде n=kvh0b У 2gl3 (и- cos а — sin а; ,    (7.19) где kv — коэффициент неравномерности скорости потока грунта. Для прямоугольного сечения потока грунта в зоне загрузки, как показано выше, й„ = 0,5; для других конфигураций сечения грунта оно будет колебаться в пределах 0,5—0,65. Усилие, необходимое для перемещения ленты конвейера с грунтом (рис. 7.7), определяют по выражению Я = Ог sin a-\-Grkn соза-}-Ол&п cos a,    (7.20) где Gr=gpFL— вес грунта, находящегося на ленте; р — объемная масса грунта; F — площадь поперечного сечения грунта; fen=
= 0,03-^0,06 — приведенный коэффициент сопротивления перемещению ленты на роликах; GB= (g!1+gv)2L — суммарная сила тяжести ленты с роликами; Hgp — удельные погонные силы тяжести ленты и роликов (на единицу длины). Мощность, затрачиваемая на перемещение ленты конвейера с грунтом, ,МЛ=(Яг^)=(1 / Л) Р-^ s i n a-j- -\-KvgpL cos a + +£'p)2I&[.cos a], (7.21) Учитывая, что Fv = П — производительность конвейера; Lsina = A — высота подъема грунта; Lcosa = / — длина пути перемещения грунта по горизонтали, последнее выражение можно представить в виде w , = (Я/л) (gph + knglp) + (1/л) (g, + gP) vkj. (7.22) С учетом затраты мощности на разгон грунта Np = Яри2 получим потребную мощность привода конвейера NK= (k6}i\) [П (gph + Кgpl + pv2) + 2vlkn (gx + gp)], (7.23) где &б = 1,2 -г- 1,4 — коэффициент, учитывающий затраты мощности на перегибы ленты, вращение концевых барабанов и др. В выражении (7.23) первый его член означает затраты мощности на подъем грунта, второй — на перемещение по горизонтали, третий — на разгон грунта, четвертый — на вращение ленты с роликами. Следует учитывать, что полезно используется лишь половина энергии, затрачиваемой на разгон грунта, объяснение чему дано ниже. Для упрощения задачи рассмотрим горизонтальный конвейер. При разгоне массы т затрачивается работа Л=mg\)-l=mg\i.vt,    (7.24) где / — время разгона; v — скорость ленты; / — путь ее за время разгона. Ускорение грунта на ленте равно a=P/in = mg^/m~g^=vlt, откуда t — vj(gji). Подставив значение / в (7.24), получим Л[ = mv2. Масса грунта приобретает кинетическую энергию Л2 = mv2!2, откуда КПД разгона г)р= =А21А\ — 0,Ъ. Этим объясняется, что затраты мощности на разгон грунта в выражении (7.23) определяются как Яру2/ (2 • 0,5) = Яри2. Рис 7 8 Траектория выброса грунта
Грунт сходит с ленты конвейера, как правило, со скоростью, равной скорости ленты, и несет запас кинетической энергии, благодаря которому увеличивается дальность и высота выброса грунта. На рис. 7.8 приведена схема свободного полета грунта. Путь, проходимый частицей грунта в горизонтальном направлении, x=vt cos а.    (7.25) Путь же, проходимый частицей грунта в вертикальном направлении, равен y=vt sin a — gt2/2.    7.26) Точка по горизонтали на уровне выброса будет достигнута при у —0, чему соответствует условие vt sin a=gt2/2, откуда t = 2vsma/g. Подставив полученное значение t в выражение (7.25), найдем расстояние выброса грунта по горизонтали LB=2v2 sin a cos ajg—v2 sin 2a/g.    (7.27) Откладыванием координат положения материальной точки при различных значениях t согласно выражениям (7.25) и (7.26) можно построить траекторию выброса грунта. Определим, какой угол наклона к горизонту направления выброса обеспечивает наибольшую дальность выброса, для чего приравняем нулю первую производную значения LB из выражения (7.27): L’b = v2-2 сой 2a/g=0. Отсюда а = 45°, а максимальная дальность выброса грунта ^макс = &Jg-    (7-28) Выброс грунта позволяет увеличить дальность транспортирования его без увеличения габаритов и массы машины. При этом, как следует из выражения (7.27), дальность выброса грунта прямо пропорциональна квадрату скорости выброса. На прямолинейном конвейере для повышения скорости выброса требуется увеличивать длину разгона, что ограничено длиной кон-

Рис. 7.9. Типы метателей- а — лопастной, б—барабанный с подвижным кожухом, в — то же, с неподвижным вейера. Практически рациональные скорости ленточных конвейеров не превышают 6—7 м/с, что обеспечивает свободный выброс на расстояние не более 4—5 м. Для увеличения дальности выброса грунта при сохранении компактной конструкции землеройных машин начали применять специальные метательные устройства, или, как их сокращенно называют, метатели. На рис. 7.9, а показан метатель лопастного типа, применяемый на траншейных экскаваторах для двустороннего выброса грунта. Грунт, поступающий сверху на лопасти по направлению стрелки А, приобретает окружную скорость, равную скорости лопастей ил, и одновременно, вследствие центробежных сил, относительную скорость v0. Сложение скоростей определяет величину и направление скорости выброса V. К преимуществам лопастного метателя относится простота и компактность конструкции, к недостаткам — высокая степень рассеивания частиц грунта, сходящего с лопастей в разных точках окружности и под разными углами выброса. Для повышения скорости выброса и сохранения плотности струи выбрасываемого грунта, необходимой для прицельного метания, были созданы метатели барабанного типа с подвижным кожухом (рис. 7.9, б) и неподвижным (рис. 7.9, в). Грунт в метатель такого типа поступает с торца (перпендикулярном плоскости чертежа). Он захватывается лопастями метателя, разгоняется и под действием центробежных сил прижимается к кожуху. В той точке, где наружный кожух прерывается, грунт выбрасывается по касательной к окружности барабана. Преимуществом метателей с подвижным кожухом является использование центробежных сил для увеличения силы трения между лентой и грунтом, благодаря чему грунт приобретает высокую скорость на котором пути разгона и обеспечивается хорошая при-цельность метания. К недостаткам таких метателей относятся высокие нагрузки, действующие на криволинейную ленту, и сравнительно сложная конструкция. Метатели барабанного типа с неподвижным кожухом просты по конструкции, обеспечивают сравнительно хорошую прицельность метания; недостаток их — высокий износ кожуха, особенно на абразивных песчаных грунтах. В связи с общими тенденциями интенсификации рабочих процессов и повышения скоростей следует ожидать широкого применения метателей на землеройных машинах. § 7.2. Цепные траншейные экскаваторы Такие экскаваторы относятся к наиболее распространенным землеройным машинам непрерывного действия. Применяют их для прокладки водопроводных и канализационных сетей, линий коммуникаций, трубопроводов. В качестве рабочих органов на этих экскаваторах применяют свободно провисающие цепи с ковшами или скребками. При ковшовом рабочем органе ковши 2, последовательно зачерпывающие грунт, разгружаются при огибании верхнего турасного вала 1, как показано на рис. 7.10; выгруженный грунт выносится в отвалы транспортерами 7. Машины этого типа, как правило, имеют гусеничный ход 8. На раме установлен двигатель 12 с раздаточной коробкой 11, от которой приводятся в действие турасный вал 1 ковшовой цепи 3, ходовой механизм 9 и конвейер 7. Рис 7 10 Схема цепного траншейного экскаватора с ковшовым рабочим органом и системой наката Одновременно от раздаточной коробки приводятся в действие барабаны 10 подъема ковшовой рамы. Под действием этих барабанов ковшовая рама 4 перемещается на роликах 5 по дуговым направляющим 6, жестко закрепленным на раме машины. При этом рабочий орган поворачивается относительно центра О дуговых направляющих и одновременно перемещается вперед. При такой системе навески уменьшается опрокидывающий момент от веса ковшовой рамы в транспортном положении машины и давление на грунт распределяется более равномерно. Привод турасного вала при этом обеспечен цепной передачей, приводная звездочка которой совмещена с центром О дуговых направляющих. В более легких моделях цепных траншейных экскаваторов нет системы наката, и ковшовая рама 4 при подъеме поворачивается, как это показано на рис. 7.11, относительно оси 2, совмещенной или расположенной вблизи верхнего турасного вала 1. При такой системе навески изменяется распределение давлений на грунт в рабочем и транспортном положениях машины, но существенно упрощается система навески и конструкция привода ковшовой цепи. Траншейные цепные экскаваторы широко применяют в мелиорации для укладки дрен. Для этой цели на ковшовой раме предусмотрено трубоукладочное оборудование 3 в форме желоба, по которому трубки опускаются вниз и укладываются в образующуюся выемку, плотно прижимаясь одна к другой. В тех случаях, когда необходимо покрыть дренажные трубки фильтрующим материалом, за желобом устанавливают бункер, по которому этот материал опускается в траншею. В зарубежной и отечественной практике гончарные трубки все чаще заменяют пластмассовыми. В этом случае на машине устанавливают рулон свернутой пластмассовой трубы 5, который разворачивают по мере отрытия траншеи и хода экскаватора. Для соблюдения заданного уклона траншейные экскаваторы снабжены автоматическими устройствами выдерживания глубины копания. В качестве датчика сигнала используют копирную проволоку, правильность положения которой проверяют нивелирными приборами. Вдоль проволоки перемещается щуп, который подает сигнал на механизм подъема ковшовой рамы. В последние годы в качестве датчиков начали использовать световые лучи, в частности лазерные. Конструкция цепного траншейного экскаватора со скребковым рабочим органом, смонтированного на базе колесного трактора, показана на рис. 7.12. Ковшовая рама 1 вместе со скребковой цепью 2, шарнирно закрепленной на оси турасного вала 5, подни- Рис. 7.12. Схема цепного траншейного экскаватора со скребковым рабочим органом мается гидроцилиндром. На этой раме установлены шнековые от-валообразователи 3, которые приводятся во вращение движущейся скребковой цепью через звездочку, посаженную на валу шнеков. Схема образования отвалов показана на рис. 7.13. Масса грунта, поднятого скребковой цепью, размещается по оси траншеи впереди рабочего органа в форме отвала 1. Шнековые отвалообразо-ватели 2 перемещают грунт из первоначального отвала в боковые 3. Кроме шнековых отвалообразователей применяют плужковые пассивного действия. Их располагают вертикально с наклоном в плане к продольной оси машины для перемещения грунта из отвала 1 в боковые по мере движения экскаватора. Рис. 7.13. Схема образования отвалов шнековыми отвалообразова- телями
Скребковая цепь (см. рис. 7.12) приводится в движение от вала отбора мощности трактора через коническую и цилиндрическую передачи, расположенные в раме 4 рабочего органа; рама прикреплена с помощью фланца к задней стенке коробки передач трактора 6. Транспорт-ьые скорости машине сообщаются через трансмиссию трактора, рабочие — от гидромотора. В рабочем режиме при передаче основной мощности двигателя через вал отбора мощности ходовая трансмиссия отключается от двигателя и соединяется с гидромотором. Последний питается от гидросистемы трактора через дроссель, позволяющий регулировать количество рабочей жидкости, поступающей в гидромотор; тем самым бесступенчато регулируется и скорость передвижения экскаватора. В передней части машины установлен отвал 8, поднимаемый гидроцилиндром 7. Ниже в качестве примера рассмотрена кинематическая схема траншейного цепного экскаватора на гусеничном ходу с одномоторным механическим приводом всех рабочих механизмов и гидравлическим приводом рабочего хода (рис. 7.14). От вала отбора мощности 1 через валы 2 — 6 приводится во вращение верхний турасный вал 7, а через валы 8 — 13 — барабан дугового конвейера. Для изменения направления движения ленты приводную цепь, соединяющую звездочку на валу 12 со звездочкой на валу 13, перебрасывает на звездочку на валу 14. Движение машины с большими скоростями обеспечивается от вала 5 через валы 15, 16, 17, 18. Левую или правую гусеницу включают фрикционами, находящимися на валу 16. На валу 8 установлен гидронасос 19, который питает гидромотор 20. При рабочих скоростях движение ходовому механизму передается от гидромотора 20 через валы 21 и 22 и далее, как при транспортных скоростях. Гидронасос 19 соединен с гидромотором 20 через дроссель, регулирующий количество жидкости, поступающей Рис 7 И Кинематическая схема цепного траншейного экскаватора с гидравлическим приводом рабочего в гидромотор, что позволяет бесступенчато регулировать скорость передвижения машины Следует отметить, что при дроссельном регулировании теряется часть мощности двигателя, особенно на низких «ползучих» скоростях Но поскольку скорости рабочих передвижений машины невелики и затраты мощности на рабочее передвижение, как правило, не превышают 5% от установочной мощности двигателя, на общем балансе мощности эти потери практически не сказываются На более мощных высокопроизводительных машинах для бесступенчатого регулирования устанавливают насосы переменной производительности, у которых потребляемая мощность соответствует расходу рабочей жидкости и потери мощности отсутствуют Производительность многоковшового траншейного цепного экскаватора определяют по выражению Рис 715 Схема определения шага ковшей
I7=qKnkJkp,    (7.29) где qK — вместимость ковша; п — число ссыпок. В свою очередь, число ссыпок зависит от скорости ковшовой цепи и расстояния между ковшами (7.30
где — скорость ковшовой цепи; Ьк — ш Из (7.29) и (7.30) получаем [аг ковшей.
Выражение (7 31) показывает, что повысить производительность можно увеличением объема ковшей, скорости цепи и уменьшением расстояния между ковшами. Увеличение скорости цепного рабочего органа, как указывалось выше, ограничивается условиями динамики и износа Практически у цепных траншейных экскаваторов эта скорость не превышает 1 м/с. Шаг ковшей при обычной гравитационной разгрузке через заднюю кромку ограничен условиями разгрузки Для того чтобы грунт не высыпался из переднего ковша в следующий за ним, необходимо выдержать условие (рис 7 15), чтобы время свободного падения грунта с передней части ковша до пересечения с траекторией движения передней кромки последующего ковша не превышало времени подхода следующего ковша к этой точке, т е ^о/»ц<}А2г//^,    (7.32) где L0 и у — участки пути на рис 7 15 Таким образом, из условия обеспечения нормальной работы ковшовой цепи число ссыпок для данной вместимости ковша является величиной достаточно стабильной, и существенно увеличить производительности машины можно путем увеличения вместимости ковша в связи с увеличением массы и габаритов машины. Траектория движения режущей кромки ковша зависит от движения ковшовой цепи по отношению к экскаватору и перемещения экскаватора по отношению к грунту, как это показано на рис. 7.16, а. Если обозначить скорость ковшовой цепи через яц, а скорость экскаватора — v3, то скорость движения ковшей по отношению к грунту составит ^=^ + ^8- Рис 7.16. Схема работы ковшовой цепи

При этом режущая кромка каждого ковша (рис. 7.16, в) снимает стружку толщиной 8 = csin3,    (7.33) где с — подача на один ковш; |3 — угол наклона траектории движения ковша. Из рассмотрения картины скоростей, представленной на рис. 7.16, б, видно, что -_    (7.34) ь 1 va cos а + v3 Как известно, производительность траншейного экскаватора n=bhvs,    (7.35) где b — ширина отрываемой траншеи; h — глубина ее. Сопоставив это выражение с (7.31), получим уравнение откуда найдем необходимую скорость движения экскаватора Из рассмотрения выражений (7.35) и (7.36) следует, что при изменении глубины отрываемой траншеи скорость экскаватора должна изменяться. Выражения (7.31) и (7.36) получены исходя из предположения о полном использовании вместимости ковшей и выносной способности экскаватора. Однако это правильно лишь для случаев работы на наиболее легких грунтах. При работе же на тяжелых грунтах исходя из баланса мощности привода ковши полностью не заполняются и производительность экскаватора снижается. Эти обстоятельства обусловливают необходимость обеспечения широкого диапазона скоростей передвижений траншейных цепных экскаваторов. При этом, если скорости изменяются дискретно, неизбежны неполное использование мощности двигателя и потери возможной производительности: чем реже ступени передач, тем эти потери будут большими. Учитывая это, на траншейных экскаваторах с механическим приводом рабочего хода устанавливают сложные многоступенчатые коробки передач. При бесступенчатом же изменении рабочих скоростей картина меняется: всегда можно выбрать скорость, соответствующую полному использованию мощности двигателя при данной глубине копания в данном грунте. Наиболее простое и надежное решение бесступенчатого изменения скоростей обеспечивается применением гидравлического привода рабочего передвижения. Мощность двигателя траншейного экскаватора расходуется на приводы ковшовой цепи, транспортеров, механизма передвижения и вспомогательных систем (охлаждение, управление и др.). Мощность привода ковшовой цепи (см. схему на рис. 7.16) зависит от мощности, расходуемой на копание грунта, его подъем, перемещение по горизонтали и перемещение ковшовой цепи. Мощность привода, Вт, расходуемая на копание, (7.37)
где k — удельная энергоемкость копания, Н-м/м3; —КПД привода ковшовой цепи. Мощность, Вт, расходуемая на подъем грунта, где р — объемная масса грунта, кг/м3; h — глубина копания, м; h0 — высота подъема грунта от дневной поверхности до места разгрузки, м. Мощность, Вт, расходуемая на перемещение грунта по горизонтали, где lr — длина горизонтальной проекции ковшовой цепи, м; / — приведенное сопротивление перемещению ковшовой цепи или коэффициент трения грунта по грунту при скребковой цепи. При определении мощности, расходуемой ковшовой цепью, учитывают, что составляющие от сил массы Gn верхней и нижней ветвей, направленные вдоль цепи, уравновешиваются, а составляющие, перпендикулярные направлению движения цепи, — суммируются. Тогда мощность, расходуемая на перемещение ковшовой цепи, NIl=2WglrvKmIl.n,    (7.40) где W — приведенные сопротивления перемещению цепи; тц. п — = Шц/Ь — масса цепи погонная с ковшами или скребками, кг/м; гд — скорость движения цепи, м/с; тц — масса ковшовой цепи с ковшами, кг; L — общая длина ковшовой цепи, м. Суммарная мощность привода ковшовой цепи ^к.ц=^к+ЛГ„ + ЛАг + ЛГц.    (7.41) Сопротивление передвижению машины складывается из сопротивления передвижению собственно машины и составляющих усилия копания. Усилие копания на ковшовой цепи Рц можно определить по выражению P^NJv^rTJv^. Мощность, необходимая для привода передвижения экскаватора, А^ер=Мотэ<?(/ + *') + Яц(31п 3 + /COS Р)]т]пер, (7.42) где тэ — масса экскаватора, кг; f — приведенное сопротивление передвижению; i — уклон, преодолеваемый экскаватором; Рц — сопротивление копанию, кг; р — угол наклона траектории движения ковшей к горизонту; va — скорость передвижения машины, м/с; Tfnep — КПД механизма передвижения. Учитывая, что скорость передвижения экскаватора v3 = П/F, м/с, где F — площадь сечения отрываемой траншеи, м2, выражение (7.42) можно переписать в виде ЛГпер= П [m3g (/+i) + Рц (sin ? + / cos P)]/(FT,„ep). (7.43) Мощность привода конвейера определяют по выражению (7.23). Из приведенных выше выражений очевидно, что основная часть составляющих баланса мощности прямо пропорциональна производительности П. Поэтому суммарную мощность привода можно представить в виде N=m0 + N0,    (7.44} где /е0 — приведенная удельная энергоемкость рабочего процесса в данных условиях; N0 — мощность, затрачиваемая на привод вспомогательных механизмов и холостой ход. Усилие, действующее на ксвшовую цепь, Р = РСС±РЛ> (7.45)
где РСг = NK. ц/Оц — стационарная нагрузка; Рд — динамическая нагрузка. Динамическая нагрузка возникает вследствие того, что от действия звездочки турасного вала ковшовая цепь движется с периодическим ускорением и замедлением скорости. При равномерном врашении турасной звездочки любая из ее граней (рис. 7.17) имеет окружную скорость v = tt>R. Угол поворота грани относительно оси звездочки cp = a>t. При этом составляющая скорости, направленная вдоль цепи, уц=сaR cos a>t, а ускорение цепи V=U)R Рис 7.17. Определение динамических нагрузок, действующих на ковшовую цепь
ац= ~м2Р sin <ot. Ускорение в точке А при набегании звена цепи на грань звездочки anA—d)2R sin р' и, соответственно ускорение в точке Б ацБ=—со2R sin р'. Учитывая, что к> = 2яп, где я — частота вращения, 1/с, и что синус половины угла, охватываемого гранью, равен sin p = LT/2P, получим величину изменения ускорения цепи при повороте турасного вала на одну грань: a = aaA — a,iB=40n.2Lr.    (7.46) Это изменение ускорения вызывает динамическое усилие в цепи Рл=40тц+Кп21т,    (7.47) где тц + к — масса цепи с ковшами, кг. Из выражения (7.46) следует, что динамические усилия в цепи прямо пропорциональны квадрату числа оборотов и длине звена цепи. Поэтому для снижения динамических нагрузок можно применять мелкозвенные цепи и звездочки большего диаметра с большим количеством граней. Из-за этого, однако, увеличиваются крутящий момент на турасном валу и число шарниров. Поэтому практически число граней на турасных звездочках принимают п = 6 -f--V- 8, а длину звеньев — равной высоте ковша. § 7.3. Роторные траншейные экскаваторы Роторный рабочий орган позволяет существенно увеличить скорость копания по сравнению с цепным в связи со снижением динамических нагрузок, трения в шарнирах и более высокого КПД. Поэтому роторные траншейные экскаваторы являются наиболее производительными машинами для прокладки траншей. Их широко применяют для прокладки нефте- и газопроводов, водопроводов и на других видах земляных работ — там, где требуется высокий темп прокладки траншей. Конструктивные схемы роторных траншейных экскаваторов различаются способами соединения рабочего органа с базовым тяга- Рис. 7.18. Конструктивная схема роторного траншейного экскаватора чом. Экскаваторы выпускают навесные и полунавесные. Последние могут опираться на грунт в рабочем положении или в рабочем и транспортном. На рис. 7.18 показана схема наиболее распространенного в СССР типа траншейного роторного экскаватора, смонтированного на базе серийного гусеничного трактора. Силовая установка 1 расположена на тягаче 11. Рама 6 рабочего органа опирается передним концом на ползун 10, перемещающийся по направляющим 3, жестко установленным на тягаче. Ползун перемещается гидроцилиндром 2 через полиспаст. Вторым концом рама рабочего органа опирается на рояльное колесо 7, которое при изменении курса экскаватора поворачивается относительно вертикальной оси, соединяющей его с рамой. Ковши 9 рабочего органа закреплены на двух кольцевых обечайках, которые вращаются на роликах, установленных на раме. Внутри кольцевых обечаек установлены сквозные конвейеры 5, проходящие внутри ротора. Привод ротора обеспечивается с помощью шарнирно-сочлененной цепной передачи 4, которая изменяет положение в пространстве в зависимости от положения ротора. При изменении глубины копания ползун 10 перемещается вверх или вниз по направляющим 3. Соответственно перемещается ротор и зачистное устройство 8. При подъеме ползуна вверх заднее колесо будет подниматься по наклонной разрабатываемой поверхности дна траншеи до тех пор, пока рама вновь не установится в горизонтальное положение на новом уровне. При опускании ползуна вниз ротор и зачистное устройство опускаются по отношению к заднему опорному колесу, которое при передвижении машины будет заглубляться в траншею до тех пор, пока рама не установится на новом уровне. Взаимное расположение ротора, транспортера и привода показано на рис. 7.19. На раме 5 установлены ролики 6, на которых вращаются обечайки 7 с закрепленными на них ковшами 8. На обе чайках закреплены также цевочные венцы 1, с которыми входят в зацепление звездочки 2, приводимые в действие цепными передачами 3. Внутри ротора на раме установлен конвейер 4.
Грунт, поднятый ковшами вверх, ссыпается на ленту конвейера и выносится в отвал. Экскаватор в транспортном положении может перемещаться с опорой на заднее колесо (полу-навесная система) или без опоры на заднее колесо (навесная система). В последнем случае после подъема переднего ползуна рама Рис 7.19. Схема расположения ро-экскаватора поворачивается отно- тора’ к0НвеиеРа и привода сительно шарнира ползуна при помощи полиспаста, как показано на рис. 7.20, а. Кроме представленной на этом рисунке системы соединения рабочего органа с тягачом при помощи ползуна, перемещающегося по жесткой вертикальной направляющей, применяют систему с наклоняющейся стойкой (рис. 7.20, б) и шарнирно-сочлененную навеску (рис. 7.20, в). При этих системах навески машина в транспортном положении является навесной. Привод роторных экскаваторов может быть одно- и многомоторным. В качестве примера одномоторного привода с механической трансмиссией рассмотрим кинематическую схему роторного траншейного экскаватора, показанную на рис. 7.21. От вала двигателя 1 движение через дополнительный редуктор 2 передается коробке передач 3, а от нее к бортовым редукторам 4 и дополнительным редукторам 5, которые приводят в действие звездочки гусеничного хода. У редуктора 2 имеются два выходных вала: быстроходный, соединенный на прямую с валом двигателя (для обеспечения транспортных скоростей передвижения) и тихоходный (для рабочих скоростей). Из коробки передач 3 выходит вал отбора мощности, который соединен с раздаточным редуктором 6. В рабочем положении основной поток мощнор^и от раздаточной коробки через дифференциал 7 и цепные передачи 8 передается звездочкам привода ротора 11. От валов звездочек движение передается реверсивному редуктору 9, а от него через цепные передачи к приводным барабанам конвейера 10. Привод ротора через дифференциал 7 обеспечивает равномерное распределение нагрузок между двумя ветвями цепных передач и цевочных зацеплений привода ротора. При таком решении необходимо обеспечить поперечную жесткость ротора для воспринятая несимметрично приложенных нагрузок к ковшам во время копания. Между раздаточным редуктором и дифференциалом установлена муфта предельного момента, которая срабатывает при встрече с непреодолимым препятствием и снижает динамические нагрузки в трансмиссии. В качестве примера многомоторного привода дизель-электри-ческого экскаватора рассмотрим кинематическую схему на рис. 7.22. От двигателя 1 приводится в действие генератор 2 через редуктор 3. Одновременно от выходного вала этого редуктора движение в транспортном режиме передается редуктору хода 5, а от него через борт-редукторы 14 — звездочкам гусеничного хода. В рабочем режиме редуктор хода приводится в действие гидромотором 4, питаемым гидронасосом 6 переменной производительности. Гидронасос установлен на раздаточном редукторе; на нем же смонтированы гидронасосы 12 и 13 управления. Привод ротора осуществляется от электромотора 9 через редуктор 7 с дифференциалом, распределяющим поровну поток мощности на левую и правую звездочки привода цевочных зацеплений. V-образный конвейер приводится в действие тремя электромоторами 8, 10, 11, из которых один приводит в действие нижний барабан, а два — верхний о)



Рис. 7.20 Схемы навесок рабочего органа*
а — с вертикальными направляющими; б — с наклонными направляющими; в — шарнирно-сочлененная
Установка ковшей на роторе показана на рис 7.23. К обечайке 1 приклепаны сегменты 2^ цевочного зацепления и козырьки 3 ковшей. Сзади ковши ограничены цепными днищами 4. Эти днища в верхнем положении ковша прогибаются, встряхиваются, что способствует лучшему опорожнению ковшей. Козырьки ковшей оснащены режущими зубьями 5, которые вставлены в гнезда 6. Для Рис 7 21 Кинематическая схема одномоторного экскаватора с механической трансмиссией I Рис. 7 22 Кинема 1ическая схема многомоторного экскаватора с дизель-электрическим приводом
работы на обычных грунтах применяют зубья из легированных термически обработанных сталей; для работы на плотных и мерзлых грунтах зубья оснащают пластинками из твердых сплавов. Порядок расстановки зубьев на ковшах, показанный на рис. 7.23, б, выбран такой, чтобы зубья на ковшах чередовались и обеспечивался равномерный крупный скол грунта резцами. Для этого в каждом ряду число зубьев на каждом ковше ограничено (2—3). а Рис. 7.23. Схема установки ковшей на роторе: I—VII — номера ковшей Производительность экскаватора по грунту в плотном теле составит n=qKnkn[kp=qKnpmkJkp,    (7.48) где п — число ссыпок; щ — частота вращения ротора, l/'*; т — количество ковшей на роторе. Независимо от емкости ковшей и числа ссыпок производительность траншейного экскаватора будет равна n=vsbh.    (7.49) Сопоставив (7.48) с (7.49), получим зависимость v3bh = qKnpmksfkp,    (7.50) устанавливающую связь между размерами траншеи, скоростью передвижения экскаватора, вместимостью ковшей, их количеством и числом оборотов ротора. Подача на один ковш где t — время между ссыпками; t=iiD/mvp, (7.52)
где D — диаметр ротора; vp — окружная скорость его. Подставив (7.52) в (7.51) и учитывая, что vp = nDnp, получим c=vjmnp.    (7.53) Скорость перемещения режущей кромки ковша является результирующей векторов окружной скорости ротора vp и скорости перемещения экскаватора va. При различных углах поворота ротора ре-
зультирующая этих скоростей оудет изменяться по величине и направлению. Схема движения ковша показана на рис. 7.24. При перемещении ротора на расстояние So режущая кромка ковша повернется на угол (г и Опишет кривую АБ. Горизонтальная составляющая скорости vT=v9 cos ср + г>э. Вертикальная составляющая скорости Угол наклона результирующей скорости к горизонту I'd Sin tp (7.54)
3 = arctg-;—— . & Vp COS <p + v3 При горизонтальном положении ковша (<p = 90°) 3= arctg — . Угол наклона касательной к, траектории резания |3 всегда меньше угла наклона касательной окружности ротора ф в точке расположения ковша. Касательная к траектории резания отклоняется от касательной к ротору на 3—6°, что нужно’ учитывать при выборе заднего утла режущей кромки и зубьев ротора. Как следует из рис. 7.24, б, при постоянной подаче с на один ковш толщина стружки б изменяется. С достаточным приближением можно написать зависимость 8 — с sin <р. При этом объем срезаемого ковшом грунта q = bch, где b — ширина ковша; h — глубина копания. Таким образом, необходимая вместимость ковша qK = bchkJk р.    (7.55) Из выражения (7.48) следует, что производительность роторного траншейного экскаватора тем выше, чем больше число ссыпок грунта из ковшей. Число ссыпок грунта зависит от окружной скорости ротора ир. Рис. 7.25. Схема разгрузки ковшей
Скорости движения ковшей у роторных экскаваторов существенно выше, чем у цепных, однако они ограничены условиями гравитационной разгрузки. Частица грунта в ковше находится под действием центробежной силы и собственного веса (рис. 7.25). При этом в критическом (равновесном) состоянии --(mvllR^sin ср0, где Rv — радиус ротора; ср0 — угол поворота ковша в начале зоны разгрузки. Отсюда критическая скорость ■»кР=К gRP sin ср0. Для обеспечения надежного опорожнения ковшей скорость ротора принимают равной ир = (0,5 -ь 0,6) vKV. В предварительных расчетах угол начала разгрузки можно принимать фо = 60°. Правильность выбранных условий разгрузки проверяют построением траекторий свободного падения грунта, которую можно определить по выражениям (7.25) и (7.26). Траектория полета частиц грунта должна обеспечивать надежное попадание их на отвальный конвейер. Из условий гравитационной разгрузки окружные скорости роторов принимают не более 1,8—2,5 м/с. Для дальнейшего повышения этих скоростей целесообразнее принять бесковшовые рабочие органы и инерционйый способ разгрузки. Баланс мощности траншейного роторного экскаватора определяется аналогично рассмотренному выше балансу мощности цепного траншейного экскаватора. Суммарная мощность первичного двигателя ^1в=-^р-1-7УК0Н-|- -Л/пер-)- А^о,    (7.57) где iVp — мощность, потребляемая роторным рабочим органом; Л кон — то же, конвейером; Л'пер — то же, механизмами передвижения; N о — то же, на вспомогательные операции и холостой ход мр-ханизмов. Мощность, потребляемая роторным рабочим органом, Вт, складывается из затрат на копание, подъем и разгон грунта до скорости ротора: А^Р=(Я/Т1Р) £ + pg(-^—+Л0) + р—2 (7.58)
где П — производительность роторного экскаватора, м3/с; k — удельная энергоемкость копания, Н-м/м3; р — объемная масса грунта в плотном теле, кг/м3; h — глубина траншеи, м; h0 — расстояние от дневной поверхности до места разгрузки, м; vv— окружная скорость ротора, м/с; rjp — КПД привода ротора. Мощность, потребляемая конвейером, была определена в § 7.1. Мощность же, потребляемая приводом передвижения, Вт, аналогична определяемой по выражению (7.43): NneV=f7[niBg(f-{-i)-\-(kn/vр)(sin Рр + / cos ?р)3/(^'П11ер\ (7.59) где рР — угол наклона к горизонту результирующей сопротивлений копанию ротором; F — площадь сечения траншеи, м2; П — производительность экскаватора, м3/с; тэ — масса экскаватора, кг, / — приведенный коэффициент сопротивления передвижению машины; vp — окружная скорость ротора, м/с; k — удельная энергоемкость копания (см. гл. 3); т}Пер — коэффициент полезного действия привода передвижения; i — уклон трассы передвижения машины. § 7.4. Экскаваторы поперечного копания Экскаваторы этого типа применяют для разработки грунта в карьерах, главным образом кирпичных заводов, а также для планировки откосов дамб, каналов и тому подобных земляных сооружений. Экскаваторы поперечного копания имеют, как правило, печной рабочий орган с жесткими направляющими. Конструктивная схема экскаватора поперечного копания показана на рис. 7.26. На ходовой части 9 установлена рама с механизмами 8 подъема и передвижения, привод 6 ковшовой цепи и разгрузочный бункер 7. Ковшовая рама 2 имеет характерное П-образное сечение с направляющими 10, по которым перемещается ковшовая цепь. Рама поддерживается подвесками. Верхняя возвратная ветвь ковшовой цепи может перемещаться на поддерживающих роликах 12. От боковых перемещений раму 2 удерживает качающаяся направляющая, проходящая через кольцо И. Рама 2 подвешена к стойке 4 в точках Л и М двумя полиспастами, которые приводятся в действие двумя барабанами и могут включаться одновременно или порознь. При нижнем копании нижнее планирующее звено 1 жестко соединяют с нижней ковшовой рамой 2, а верхнее планирующее звено 3 — с верхней ковшовой рамой 5 Веерное копание происходит при включении только одного полиспаста и опускании точки Л (рис. 7.27) с первоначального положения рамы МЛ до конечного. При одновременном опускании полиспастами подвесок точек Л и М (рис. 7.27, б) обеспечивается параллельное первоначальному положению МЛ постепенное заглубление нижней рамы относительно оси О турасного вала (верхнее планирующее звено НМ жестко соединено с верхней ковшовой рамой НО). При верхнем копанйи (рис. 7.27, в) верхнее планирующее звено в точке Я соединяется шарнирно с верхней ковшовой рамой, а нижняя ковшовая рама поднята. При этом параллельными перемещениями подвесок в точках М и Л обеспечивается заглубление ковшовой рамы на толщину уступа h. После того как возможная толщина уступа h будет снята, передвигают рельсовые пути по отношению к забою. Нижнее планирующее звено 1 по отношению к раме 2 может занимать положение, показанное на рис. 7.27, или его располагают горизонтально; в первом случае достигается наибольшая глубина копания, во втором — зачистка дна выемки и отсутствие гребешков Многоковшовые экскаваторы поперечного копания работают в условиях стационарных карьеров, к которым подводится электроэнергия Поэтому они имеют простую кинематическую схему и многомоторный привод На рис. 7 28 показана такая кинематическая схема Подъем и опускание ковшовой рамы производят полиспастами / и 2 при навивке или свивке канатов на барабаны 6 и 21 Эти барабаны вращаются электродвигателем 11 через редуктор 12. По- а)    Б)    8) Рис 7 27 Схемы работы экскаватором поперечного копания а — нижнего веерного, б — нижнего параллельного, в — верхнего следний имеет два выходных вала, которые соединены с червячными редукторами 7 и 8. Редукторы 7 и 8 имеют самотормозящиеся червячные передачи и, кроме того, снабжены постоянно замкнутыми тормозами Вследствие этого барабаны могут вращаться только при включенном электродвигателе на подъем или спуск Редукторы 7 и 8 соединены с выходными валами редуктора 12 кулачковыми муфтами 9 и 10, управляемыми рычагами 4 и 5 с рабочего места машиниста Когда требуется поднять или опустить ковшовую раму параллельно первоначальному положению, включают обе муфты 9 и 10; если же нужно поднять верхний или нижний конец рамы или повернуть ее в вертикальной плоскости, включают одну из этих муфт Перемещение эскаватора обеспечивается от электродвигателя 13. К ходовым колесам 17 движение передается через червячный редуктор 14, редуктор 15 перемены передач и открытую зубчатую передачу 16 В редукторе 15 между первым и вторым валами установлены зубчатые колеса с различными передаточными отношениями. Рычаг управления 3 связан с зубчатой муфтой, которая может включать левую или правую пару шестерен и тем самым изменять передаточное отношение редуктора 15 и скорость передвижения экскаватора Направление движения экскаватора изменяют реверсом электродвигателя 13. С механизмом передвижения связан привод барабана 18, на который наматывается кабель, питающий экскаватор электроэнер- 25
О—|о 8 с(— -<    V -24
-»|д-bjo—|о с)-ю|о|—и П'
35 7 28 Кинематическая схема экскаватора поперечного копания гией. Между выходным валом редуктора 15 и валом кабельного барабана установлена цепная передача 20, а на звездочке цепной передачи находится постоянно включенная на небольшой крутящий момент фрикционная муфта 19, соединяющая звездочку с барабаном. Передаточные отношения рассчитаны таким образом, чтобы скорость навивки кабеля всегда опережала скорость передвижения машины. При движении вперед и свивке кабеля с барабана фрикционная муфта проскальзывает и сохраняет постоянное небольшое натяжение кабеля. При движении назад благодаря более высокой скорости вращения барабана по сравнению со скоростью передвижения обеспечивается навивка под натяжением при незначительной пробуксовке фрикциона. Величину прижатия ленты фрикционной муфты 19 необходимо периодически регулировать, обеспечивая достаточную свободу свивки кабеля. Рис. 7.29. Схема экскаватора поперечного копания
Ковшовая цепь приводится в движение (рис. 7.28, б) от электродвигателя 22 через цилиндрический редуктор 23 и верхний турасный вал 24. При отключении электродвигателя положение ковшовой цепи фиксируется автоматически включающимся электрическим тормозом. На промежуточном валу редуктора привода ковшовой цепи расположена муфта предельного момента 25, которая срабатывает при встрече ковшовой цепи с препятствиями. Чтобы в этом случае не перегружался электродвигатель, через некоторое время (4—5 с) срабатывает его защита, и он отключается. Такой конструкцией исключаются аварийные нагрузки на элементы трансмиссии при встрече ковшей с непреодолимыми препятствиями. На рис. 7.28, в, г показаны кинематические схемы привода конвейера и его подъема. Конвейер приводится в действие электродвигателем 26 посредством редуктора 27, цепной передачи 28 и барабана 29. Подъем и опускание конвейера производятся электродвигателем 30 через червячно-цилиндрический редуктор 32—33, барабан 34 и полиспаст 35. Его положение фиксируется тормозом 31. Схема работы многоковшового экскаватора поперечного копания показана на рис. 7.29. Направление абсолютной скорости движения ковшей определяется геометрической суммой скорости оц движения ковшовой цепи вдоль ковшовой рамы и скорости передвижения экскаватора v3. При этом траектория движения ковшей наклонена под углом р, который определяют по зависимости tgP=®./4-    (7-60) Производительность многоковшового экскаватора по формуле (7.7) равна n=qKnkH/kp, причем n=vJT.    (7.61) Вместимость ковша находят из условия заполнения его на пути движения: qK=bbLk9lk&,    (7.62) где b — ширина снимаемой стружки; б — толщина ее. Из условия обеспечения производительности экскаватора при перемещении его вдоль забоя следует, что J7—bLv3.    (7.63) Приравнивая выражения (7.7) и (7.63) и подставляя в (7.7) значения qK и п из выражений (7.62) и (7.61), получим IbLvJT = bLv э b/T = vJvц.    (7.64) В выражении (7.64) для нормальной работы экскаватора должно быть выдержано условие b=TvJva^B,    (7.65) поскольку ширина снимаемой стружки не может превышать ширину ковша В. Если величина подачи на один ковш превзойдет значение В, то ковши будут прорезать отдельные борозды, и при последующих проходах нарушится нормальная работа экскаватора. Следует также учитывать, что ковш в точке А не должен касаться грунта. Форма ковша должна обеспечивать условие (£-Z?0)/(2ZT)<tg?,    (7.66) где В о — ширина задней части ковша; LT — его длина. Мощность приводов ^овшовой цепи экскаватора поперечного копания определяют аналогично определению мощности привода ковшовой цепи экскаватора продольного копания. При определении мощности привода механизма передвижения нужно учитывать боковую составляющую сопротивления копанию и боковые реакции ходовых колес, удерживающие машину в направлении передвижения. до 650 кВт, реже — колесные тракторы или тягачи мощностью 75— 1200 кВт. Для выполнения подготовительных работ на раму бульдозера навешивают дополнительные виды рабочего оборудования: кусторезы, корчеватели, собиратели и др. Бульдозеры нередко выпускают в комплекте с рыхлителями и канавокопателями, навешиваемыми сзади машины. Бульдозер послойно срезает грунт и одновременно перемещает его волоком по поверхности земли к месту укладки. Бульдозеры применяют для возведения насыпей из грунтов боковых резервов, разработки выемок, грубого планирования поверхностей земляных сооружений, для засыпки рвов, траншей, обваловки сооружений, а также для подготовительных работ— валки отдельных деревьев, срезки кустарника, корчевания отдельных пней и камней. Бульдозеры используют также для распределения грунтовЫх отвалов при работе экскаваторов и землевозов, образования штабелей сыпучих материалов (песка, щебня) и их подачи к перерабатывающим агрегатам, для снегоочистки, формирования террас на косогорах, производства вскрышных работ в карьерах. Рис. 8.2. Конструктивная схема бульдозера с неповоротным отвалом
На базе гусеничных тракторов также серийно выпускают бульдозеры с поворотным отвалом и универсальные. У бульдозера этого типа вместо толкающих брусьев установлена арочная рама, к вершине которой шарнирно присоединен отвал (рис. 8.3). Края отвала удерживают толкатели, соединенные ползунами с боковыми направляющими рамы. Последняя соединена с кронштейнами рамы трактора. Отвал поворачивают в плане гидродилиндрами. Ползуны толкателей при этом изменяют положение на направляющих рамы и фиксируются закладными штырями. Задние проушины толкателей можно переставлять по высоте относительно ползунов, изменяя таким образом угол резания. Опуская проушину одного толкателя и поднимая проушину другого, можно произвести поперечный перекос отвала. Управляют отвалом с помощью рукоятки гидрораспределителя. Движением «от себя» отвал опускают и ставят в плавающее положение, движением «на себя» поднимают его, движением вправо — правый перекос, влево — левый. В зависимости от условий работы применяют различные отвалы бульдозеров (рис. 8.4). У прямого простого отвала (рис. 8.4, а) имеются прямая образующая, небольшие изогнутые боковые щитки и ножи для уменьшения износа щитков. Ножи отвала обычно состоят из двух частей и снабжены выступающими вперед сменными угловыми ножами. Такими отвалами разрабатывают крепкие грунты. Универсальный отвал (рис. 8.4, б) используют для планировочных работ в грунтах с нарушенной структурой. Рис 8 3 Бульдозер с поворотным отвалом (вид сбоку и сверху). / — ножи, 2 — козырек, 3— отвал, 4 — гидроцилиндры подъема и опускания отвала; 5 — направляющие ползуны опорных пальцев; 6 — опорный шарнир, 7 — гидроцилиндры перекоса отвала, 8 — направляющие ползунов толкателей, 9 — ползун, 10 — универсальная рама, 11 ~ толкатель, 12 — гидроцилиндр поворота отвала в плане, 13 — наголовник, 14 — штырь; 15, 16 — проушины Сферический отвал (рис. 8.4, в) применяют для разработки мягких и средней крепости грунтов. Изогнутая в плане форма отвала предусмотрена для косого резания грунтов, при котором уменьшается сопротивление резанию и можно увеличить на 10—12% длину отвала. За счет выступающих вперед концов отвала объем перемещаемого грунта увеличивается на 20—25% по сравнению с прямым отвалом. Рис. 8.4. Формы отвалов бульдозера: а — прямой; б — универсальный; в — сферический; г — с боковыми рыхлящими зубьями; д — совковый для уборки; е — короткий толкающий; 1 — лобовой лист вместе с козырьком; 2 — боковые щитки; 3— боковые ножи; 4 — угловые ножи; 5 — средние ножи; 6 — открылки; 7 — выдвижные зубья Отеал с рыхлящими боковыми зубьями (рис. 8.4, г) используют для разработки крепких каменистых грунтов бульдозерами большой мощности. Зубья выдвигаются гидроцилиндрами ниже ножей на 20—30 см. Совковый отвал (рис. 8.^, 5) имеет боковые щитки, снижающие ■ потери грунта при перемещении и выступающую вперед часть ножа для лучшего врезания в грунт. Применяют его для разработки малосвязных грунтов в случае перемещении их на большие расстояния. Короткие прямые отвалы (рис. 8.4, е) снабжают амортизаторами, предназначают для бульдозеров-толкателей, толкающих при работе землеройно-транспортные машины для получения большего тягового усилия. Толкающие брусья таких отвалов устанавливают с внутренней стороны гусеничных тележек. Кроме указанных типов отвалов внедряют в производство дополнительные виды сменного рабочего оборудования для отделки откосов насыпей, рыхления грунта, удаления кустарника и др. Использование их значительно повышает универсальность бульдозеров. Рабочий процесс бульдозера состоит из операций копания, перемещения и разравнивания грунта. При копании режущая часть отвала заглубляется в грунт и бульдозер одновременно движется вперед. Вырезаемый из забоя грунт накапливается перед отвалом, формируя призму грунта, которую называют призмой волочения. После этого отвал выглубляют и бульдозер перемещает грунт к месту укладки. Далее бульдозер разравнивает призму грунта несколько приподнятым предварительно отвалом. Разравнивать грунт можно передним и задним ходом машины При транспортировании грунта часть его теряется. Потери, зависящие от дальности перемещения, могут доходить до 30% и более от объема призмы волочения. В зависимости от условий работы, мощности и типа тягача гусеничные бульдозеры работают на скоростях 2,4—6,0 км/ч, на колесных тягачах — 3,5—8,0, а перемещают грунты соответственно на скоростях 4—8 и 6—12 км/ч (холостой ход— 10—12 и 20—25 км/ч). Бульдозеры принято классифицировать по следующим признакам: мощности двигателя или тяговому усилию, типу ходового оборудования, способу установки отвала, типу привода или управления рабочим органом. Классификация бульдозеров по первому признаку приведена в табл. 8.1. Таблица 8.1 Классификация бульдозеров по номинальному тяговому усилию (ГОСТ 7410—70) и мощности двигателей Типы бульдозеров Тяговое усилие, кН Мощность, кВт Малогабаритные Не менее 30 Легкие Средние >50 —100 Тяжелые >100—200 Сверхтяжелые Тяжелые и сверхтяжелые бульдозеры применяют для выполнения земляных работ больших объемов, а также в районах со сложными климатическими и грунтовыми условиями; легкие и средние— для работ в транспортном, жилищном и сельскохозяйственном строительстве. По типу ходового оборудования бульдозеры подразделяют на гусеничные и пневмоколесные. В первом случае базовыми машинами являются гусеничные тракторы, а во втором — пневмоколесные тягачи и колесные тракторы. Бульдозеры на гусеничном ходу имеют высокую проходимость, при этом типе хода тяговое усилие при одной и той же мощности большее, чем у пневмоколесных. Пнев-моколесные более маневренны и быстроходны, их ходовая часть в эксплуатационных условиях более долговечна. По способу установки отвала бульдозеры разделяют на машины с неповоротными и поворотными отвалами и универсальные. К первым относят бульдозеры, у которых в процессе работы изменяется только угол резания, остальные же установочные углы остаются постоянными. У бульдозеров с поворотными отвалами изменяются углы резания и захвата, у универсальных — все установочные углы. Диапазоны изменения углов установки отвалов показаны на рис. 8.5 и приведены в табл. 8.2. Рис. 8 5. Схема установки отвала бульдозера- а—поворот отвала в плане; б—поворот отвала в вертикальной плоскости, 1 — толкающая рама; 2 — боковой толкатель отвала; 3 — отвал; 4—отвал, повернутый в плане; 5 — отвал, повернутый в вертикальной плоскости
С изменением установочных углов меняется характер движения и высота подъема грунта по отвалу. Бульдозеры с неповоротными отвалами используют для разработки связных грунтов с ненарушенной структурой, а с поворотными отвалами и универсальные — для разработки несвязных грунтов, выполнения планировочных и снегоуборочных работ, засыпки траншей, рвов, котлованов и других выемок. Таблица 82 Углы установки отвала бульдозера Углы установки отвала, град Тип бульдозера захвата X зарезания В резания а С неповоротным отвалом С поворотным отвалом Универсальный По типу привода или управления работой рабочего органа различают машины с канатно-блочным и гидравлическим управлением. У первых работой отвалов управляют с помощью однобарабан-ных фрикционных нереверсивных лебедок с канатно-блочными системами, приводимыми в действие от валов отбора мощности трактора, у вторых — одним или двумя.гидроцилиндрами. Для заглубления в грунт рабочее оборудование должно иметь достаточную массу. У бульдозеров с гидравлическим управлением отвал заглубляется в грунт принудительно, под действием усилий, развиваемых гидроцилиндрами. Это позволяет снизить массу отвала, облегчить условия работы машины, уменьшить затраты времени на набор грунта и повысить производительность машины. Большинство бульдозеров, выпущенных в последние годы, имеет гидравлическое управление. Основным рабочим органом бульдозера является отвал. Производительность и потребная величина тягового усилия зависят от выбора параметров отвала. Геометрическими параметрами отвалов являются показанные на рис. 8.6 угол резания а, угол наклона отвала е, угол опрокидывания 'фо, угол установки козырька ярк, задний угол у, высота отвала Нот, высота козырька Як, радиус кривизны отвала г, ширина отвала В0т, длина прямой части отвальной поверхности а. Рис. 8.6. Основные параметры отвала бульдозера
Высоту отвала определяют в зависимости от расчетной номинальной силы тяги Рт.н и грунтовых условий, для которых предназначают проектируемый _ бульдозер. Ее можно найти для бульдозера с неповоротным отвалом по формуле Яот = 500уЛРг.н —5ЯГ-Н; для бульдозера с поворотным отвалом Я0 =45031//ЯГН-5Я,Н. Высоту козырька Нк по вертикали принимают 0,1—0,25 от высоты отвала. Основные параметры поперечных профилей отвалов бульдозеров приведены в табл. 8.3. Таблица 8.3 Параметры отвалов Огвал Параметры неповорогный поворотный (универсальный) Угол резания а, град Угол наклона отвала е, град Угол опрокидывания i|)0, град Угол установки козырька град Задний угол у, град Ради)с цилиндрической поверхности отвала г, мм 60—75 90—100 10—15 (0,8-0,9) Примечание Длина плоской части отвала должна быть равна ширине ножей. От угла наклона отвала е в значительной степени зависит форма призмы волочения При малом угле наклона грунт может пересыпаться через отвал, при большом — ухудшаются }словия подъема грунта вверх по отвалу, увеличивается прилипание и энергоемкость его разработки Угол резания а, угол заострения (3 и задний угол у связаны между собой зависимостью а = (3 + у. что необходимо учитывать при назначении этих углов и пределов их изменения Угол резания а оказывает большое влияние на энергоемкость процесса резания — при ею уменьшении значительно снижается сила сопротивления резанию Угол заострения р в значительной степени определяет характер изменения удельного давления ножа на грунт по мере износа его режущей кромки При малом значении чтого угла быстро затупляется режущая кромка ножа От заднего угла у сильно зависит конструкция тыльной стороны отвала, элементы которой (в частности, коробка жесткости) не должны касаться поверхности разрабатываемого грунта Величина угла г|з0 должна быть такой, чтобы грунт не пересыпался через отвал, что может происходить при завышенном угле Радиус кривизны г криволинейной поверхности должен обеспечивать переваливание грунта перед отвалом, чтобы исключить потери грунта через отвал и снизить энергоемкость разработки грунта Козырек, характеризуемый высотой Нк и углом его установки фк, предохраняет от пересыпания сухих и сыпучих грунтов через отвал. Ширину неповоротного отвала выбирают в 2,8—3,0 раза больше его высоты Ширина поворотного отвала на 30—35% больше неповоротного Вместе с тем ширина отвала должна превышать ширину базовой машины не менее чем на 100 мм для обеспечения возможности ее движения в траншее Силы для преодоления сопротивления копанию грунта следует определять для наиболее тяжелых устовий работы бульдозера, когда он при копании и перемещении грунта движется на подъем и призма волочения грунта достигает максимальной величины (рис 8 7) При этом необходимое тяговое усилие расходуется на преодоление следующих сопротивлении грунта резанию, перемещению призмы волочения, трения ножа отвала о грунт, а также при движении его по отвалу Возникающая в конце копания результирующая сил сопротивления Р слагается из сил Ркоп сопротивления копанию и Rnep перемещению машины (рис 8 7, д) P=PKon + Rner    («Л) Сила сопротивления копанию грунта бульдозером р _Р -L Р _!_ Р 4_ р „ коп —J рез I 1 пр I 1 rpl I ■* гр2* Сила сопротивления грунта резанию (рис 8 7, а, б) ^рез ^рез^ог^ >    (8-2) где &рез — удельное сопротивление резанию, кН/м2 Сила сопротивления от перемещения призмы волочения (рис 8 7, д) рпр= GnpH=gnpgPr (Р-2 cos ?„+ sm Рн),    (8.3) где [12 — коэффициент трения грунта о грунт. Объем грунта в призме волочения quр, зависящий от геометрических размеров отвала и свойств грунта, определяют в соответствии с рис 8 7, а Рис 8 7 Схема к определению силы сопротивления копанию грунта бульдозером где kp — коэффициент разрыхления (табл 8 4); FUp — площадь поперечного сечения призмы, равная _ (Нот-ь h.) I _ (Яот-Д)2 ■Гпр—    2    2 tg 5 где Я гг — высота отвала, б — угол естественного откоса грунта, град,. Таблица 84 Значения коэффициентов kv Грунг Плотность грунта рг кг/м3
Песок
1600—1700
С)г чинок
1600—1800
Глина
1700—1800
Тогда
__ (Нт-Крвт    (Нот — /г)2 Вот .
ЧпР 2 tg bkp 2knp
knp=tgbkp (табл. 8.5).
Таблица 8.5
Значения коэффициентов £Пр
Отношение Нт/Вт
Грунты
Коэффициент
Связные в II—III категории
Несвязные
Сила сопротивления от трения ножа по грунту Ртрi (рис. 8.7, б) равна
Р-Ф = (Go + Рх) Н = (Go + Рк tg V) ^    (8.4)
где in — коэффициент трения отвала о грунт; v — угол наклона результирующей силы сопротивления.
Сила сопротивления от трения грунта при движении его вверх по отвалу (рис. 8.7, в)
PTp2=Gnpii1cos2a.    (8.5)
При разработке грунта поворотным отвалом суммарное сопротивление трению Р' равно (рис. 8.7, г):
Р’ = Ярез + Рщ + ^тр! + Р'гр2 + ^пер-    ( 8.6)
Здесь Р рез = Ррез sin Я,; Рпр == Рщ> Sin X', Р тр == PTpi;
P;p2=PTp2sin >- + Я.;р2,    (8.7)
где Р"ТР2 — сила сопротивления трения грунта при движении его вдоль отвала,
р1Р2= ^ " - PrSWi cos),    (8.8)
Силы сопротивления резанию и перемещению грунта, найденные таким способом, служат исходными данными для определения необходимой силы тяги и мощности привода базовой машины. При выборе базы бульдозера необходимо обеспечить условие
р;> р.
Производительность бульдозера при разработке и перемещении грунта определяют по выражению
Лэ = 3600#пр&в//Ц£р.    (8.9)
Продолжительность работы машины за цикл можно определить из выражения
U VK 1 vn    vx где t-n-гв — время, необходимое на один разворот; £ц0в =10-4-15 с; tn. п — время на переключение передач; tu- п — 6 -4- 8 с; to. п — время на подъем и опускание отвала за цикл; /о. п = 4 -г 5 с. На планировочных работах производительность бульдозера
- %ов "Мп.п “Мо.П , (8.10)
^пер
-пер
+ -
L
где п — число проходов по одному месту. 3600£пл (Вот sin ^— 0)5) &в ^ (-^-пл/^раб Атов) Рис. 8.8. Схема к элементах определению усилии в рабочего оборудования бульдозера
(8.11)
Для проведения расчета деталей и узлов бульдозерного оборудования на прочность (отвала, толкающих брусьев, подкосов и др.) необходимо знать максимальные усилия, возникающие в отдельные моменты работы машины. Выбрать расчетные положения можно на основании анализа общей схемы сил, действующих на машину, и характера их изменения по время работы машины. На оборудование бульдозера во время работы действуют следующие силы (рис. 8.8): масса рабочего оборудования G0, сила’сопротивления копанию Ркош реакция в упряжном шарнире R0, усилие натяжения полиспаста (усилие на штоке гидроцилинд-Ра) Рц, реакция со стороны грунта R. Масса рабочего оборудования при канатно-блочном управлении должна быть достаточной для внедрения ножа отвала в грунт. В этом случае за расчетные условия принимают следующие условия работы: бульдозер движется по горизонтальной поверхности; отвал лезвием ножа опирается на грунт; канаты подъемного полиспаста не натянуты. В этом положении на отвал действует вертикальная реакция грунта RH, направленная вверх, и горизонтальная реакция RK, являющаяся силой трения ножа о грунт, которые можно определить по уравнениям RH=k'xB0T;    (8.12) ЯК=Я#1,    (8.13) где k' — коэффициент несущей способности грунта; k' = 50 ч--f- 60 кН/м2; х — ширина нижней площадки ножа, трущейся о грунт; х — 1,0 -f- 1,5 см. Минимальную по вышеуказанному условию силу тяжести рабочего оборудования G0 можно определить из суммы моментов сил, действующих на рабочее оборудование относительно точки О: о о мин h — RJx + RJ1!—0; = 0:
(8.14)
Go чин~^н (^1 V'lh-i)/1з- Отвал заглубляется при условии G0 > Gо мин- У бульдозеров с гидравлическим управлением в силу принудительного заглубления отвала его масса может быть меньше массы отвала при канатном управлении, а параметры определяются только условиями прочности. Результирующую силу сопротивления копанию РКоп, действующих в условиях нормальной работы, можно разложить на горизонтальную (касательную) Рк и вертикальную Рн составляющие. По определенным значениям Рк и Рц выполняют расчет на прочность элементов конструкции (отвала, толкающих брусьев или рамы, подкосов и раскосов). Рис. 8.9. Схема сил, действующих на нож бульдозера при уьоре в препятствие
По исследованиям К- А. Артемьева и Р. И. Войцеховского, точка приложения и направление суммарного сопротивления копанию Ркоа зависят от угла резания, вида и состояния грунта. При нормальных условиях работы Ркои приложена на высоте h=0,2 #от. За расчетное принимают максимальное значение Ркоп, соответствующее упору отвала в непреодолимое препятствие (валун, пень). Со стороны препятствия на нож действуют нормальная реакция R и сила трения Ртр = Pfxi, направленная вверх по касательной (противоположно возможному перемещению отвала относительно препятствия). Кроме того, на отвал действуют нормальная и касательная реакции грунта Рн и Ru на затупленную поверхность ножа. Силы Рк и Рн (рис. 8.9) можно определить из уравнения ^K0n = ^/C0Stp. Отсюда 1 *    1 '.w-    L JDk=P’koh sin (а + ф)-[-/?к; Рп=РКоп sin [90°—(а + ?)]—ян; Ри=РКОп cos(a-f<p) —/?„. коп cos [90° — (а -|- ср)] -|- RK] (8.16) (8.17)
Наихудший вариант нагружения отвала возникает при приложении Рк к кромке его ножа. Максимальное значение Рк можно рассматривать как сумму статической силы Рк. с, соответствующей условию буксования движителя, и динамической силы Рк. д, зависящей от инерции масс, а также жесткости препятствия и элементов конструкции: />кчакс=Як.с + Як.,;    (8.18) Рк.с Р?,сц макс ^сцТсц макс» где GC4 —сцепная масса бульдозера; Gca— Gб — то же, при плавающем положении отвала; GC4 = 65 + G0 + Рн — то же, при натянутом полиспасте или запертом цилиндре; <рсц — максимальное значение коэффициента сцепления с грунтом. Действие динамической силы Рк д можно оценить коэффициентом динамичности = Як чакс/''°к.с = 0°К.с + Рк.л)/Рк.с= * + PK.J^к.с- Значение kд можно принимать равным 1,5—2,5. Совместным решением уравнений (8.16) и (8.17) получено уравнение для определения нормальной силы Рн в виде Л.= (Рк - Рк) ctg (а -f <р) — Ян, где ф — угол трения грунта по металлу. Максимальное значение силы Рн будет при Рн = Рк = 0 и минимальном угле резания: Рн макс^ макс Ctg (й -f- Ср).    (8.19) Для расчета элементов канатно-блочной или гидравлической систем управления бульдозером необходимо знать усилие натяжения полиспаста 5 (усилие на штоке гидроцилиндра Рц). Сила Рц достигает максимума в положении резания грунта при натянутых канатах полиспаста (застопоренном поршне цилиндра подъема). Ее значение Можно определить из с^ммы моментов сил, действующих на рабочее оборудование относительно точки О (рис. 8.8): М0 О, Яц чакс== {Оoh -f Як чакс^1 “Ь Рн MaKC^l/^4 Яц макс I G0/3 + Лсмакс [Al"fACtg(a + cP)]})/^4-    (8.20) Для подъема отвала на ходу из рабочего положения в транспортное к нему должна быть приложена сила Pf ц макс, превышающая значение силы Рцмакс: 2^0=0; Р'и чакс = (Gq/з -(- Qjli -f- PJ-2Як максЛ] -(- Ян usKch)IU> (8-21) где Рс — сила сопротивления грунта сдвигу при подъеме отвала. Значения Gr и Рс определяют из следующих уравнений: GT—FBorprg;    (8.22) где F — площадь поперечного сечения грунта (на рис. 8.8 она заштрихована); &сц — коэффициент сцепления грунта при сдвиге, &сц = 40 -f- 60 кПа. При заглублении отвала в грунт сила Рц на штоке гидроцилиндра должна быть достаточной для преодоления сопротивления грунта R. Значение ее для момента заглубления можно определить также из суммы моментов сил, действующих на рабочее оборудование относительно точки О: i -М0=0; Рц—Rh (1\ {*1^1)//4 = k хВ0! (/j — P'iAi)//4, причем Рц > RH. При некоторых значениях усилия подъема трактор может опрокинуться относительно передней кромки гусениц (точка А). Из условия равновесия системы относительно этой точки критическое значение силы подъема VMa = 0; Pu.Kp = [G6(/6 —/5)]//7.    (8.24) Отвал может выглубиться без опрокидывания трактора при условии Р'ц макс <С Рц. кр. Значение реакции Ко в упряжном шарнире О, выраженной в виде составляющих Rx и Ry, определяют из уравнений равновесия сил, действующих на рабочее оборудование: 2*=0; RX = PK макс+Яц макс COS |3',    (8.25) 2г/ = 0; Ру=— Ркмакс + РптксЫПр — Go-    (8.26) § 8.2. Скреперы Скрепер является ковшовой землеройно-транспортной машиной, которая производит послойную разработку грунта, транспортирует и разравнивает его. При этом возможно частичное уплотнение грунта. Скреперами можно разрабатывать грунт до IV категории включительно. Для повышения эффективности работы скреперов с грунтами III—IV категорий их предварительно разрыхляют. Для более быстрого наполнения ковша применяют толкачи, увеличивающие силу тяги. Скреперы используют для устройства насыпей из боковых резервов, выемок с перемещением грунта в насыпь, возведения плотин, отрывки котлованов, производства вскрышных, мелиоративных и ирригационных работ, а также для уплотнения грунта, уложенного в насыпи.    vx_ Схема самоходного скрепера, представляющего собой комбинацию одноосного тягача с одноосным ковшовым прицепом, показана на рис. 8.10. Рабочим органом машины является ковш (рис. 8.11). Боковым стенкам и днищу ковша для усиления жесткости обычно придают коробчатую форму. Передняя балка обеспечивает жесткость всей конструкции, к ней присоединяют гидроцилиндры подъема и опускания ковша. Стенки ковша скошены для уменьшения налипания грунта. В плане ковш чаще всего несколько сужается назад (на 2—3°). Ковши всех скреперов снабжают буферами — пространственными фермами коробчатого сечения, на которые воздействуют толкачи. К балкам фермы приваривают кронштейны для крепления оси задних колес. В буферах устанавливают направляющие балки, по ко- торым на роликах передвигается задняя стенка. Ножи ковша изготовляют составными, что обеспечивает смену только одной части при затуплении и поломке. Режущую часть ножа наплавляют твердыми сплавами для повышения ее износостойкости. Для уменьшения сопротивления при разработке тяжелых грунтов ковши снабжают зубьями.
Рис. 8.10. Конструктивная схема полуприцепного скрепера: / — тягач; 2 ведущие колеса; 3*—сцепное устройство; 4— гидроцилиндры поворота; 5 — гидроцилиндр подъема ковша; 6 — гидросистема; 7 — передок; 8 — заслонка; 9 — ковш н задняя рама; 10 — задняя стенка; И — ведомые колеса; 12— буферное устройство; 13 — ножи
Заслонка ковша (рис. 8.12, а) предназначена для удержания в нем грунта. Она также создает условия для наиболее интенсивного поступления грунта в ковш при наборе. Форма заслонки влияет на образование призмы волочения и от нее зависит место расположения ножа скрепера. Ковш заполняется грунтом лучше, а призма волочения получается меньшей при заслонке с более выпуклой стенкой. В современных скреперах применяют заслонки с наружным и внутренним креплением рычагов к ковшу. В последнем случае можно уменьшить габаритную ширину скрепера на 30—40 см. Работой заслонок управляют с помощью гидроцилиндров. Задняя стенка ковша ^рис. 8.12, б) представляет собой коробчатый щит 1, снабженный решеткой и системой подкосов. Стенка / — боковые стенки; 2 — передняя балка; 3— днище ковша; 4 — задняя балка; 5 — буфер; $ — втулки шарниров тяговой рамы; 7— втулки шарниров заслонки; 8 — подножевая плита; 9 — нож перемещается внутри ковша, выталкивая из него грунт при разгруз-ке. Для передвижения и центрирования на задней стенке имеются ролики 3, 4 и 6. Выдвигают заднюю стенку гидроцилиндрами. Тяговая рама скрепера (рис. 8.12, в), предназначенная для соединения ковша с тягачом, состоит из хобота 2, который соединен с рамой седельного устройства тяга'ча, трубчатой поперечной балки 6 и упряжных тяг 4, охватывающих ковш и соединенных с ним шарнирами. Ковш поднимают два гидроцилиндра, укрепленные в кронштейнах 3 хобота. Штоки цилиндров прикреплены шарнирно в передней части боковых стенок ковша. Скрепер может выполнять следующие операции: копание грунта с заполнением ковша, транспортирование и разгрузка его с послойным укладыванием в сооружение, обратное движение к забою. Скреперы классифицируют по емкости ковша, способу передвижения, схеме подвески ковша, способу его загрузки и разгрузки, по виду передней заслонки и системе управления. Согласно ГОСТ 5738—73 и 10055—75 по вместимости ковшей скреперы подразделены на малые (qK до 4,0 м3), средние (дк = = 5-М2) и большие (^к=15 и более).
Рис. 8.12. Конструктивные схемы элементов рабочего оборудования скрепера: а — заслонка; б — задняя стенка; в — тяговая рама В последние годы наметилась тенденция к увеличению мощности двигателей.и вместимости ковшей с целью снижения стоимости разработки единицы объема грунта. С 1950 по 1975 г. вместимость ковшей у новых марок скреперов в нашей стране была увеличена в 3 раза, мощность двигателей — в 2,5 раза. В результате в 1,5 раьа увеличилась производительность, отнесенная к 1 м3 вместимости ковша. По способу передвижения различают скреперы прицепные, полу-прицепные и самоходные. Прицепные одноосные или двухосные скреперы буксируют в основном гусеничными тракторами, реже двухосными пневмоколесными тракторами и тягачами (см. рис. 8.1, поз. 4, 5 и 8). Полуприцепные скреперы (см. рис. 8.1, поз. 5) и самоходные (см. рис. 8.1, поз. 6) перемещают одно- или двухосными пневмоколесными тягачами или тракторами. Гусеничными тракторами буксируют скреперы с ковшами вместимостью до 25 м3, колесными тракторами и тягачами — скреперы с ковшами от 6 до 40 м3. Полуприцепные и самоходные скреперы отличаются небольшой удельной массой. Для увеличения сцепной массы с целью повышения тягового усилия по сцеплению применяют активные задние оси. Для этого устанавливают на задней оси скрепера второй двигатель или применяют дизель-злектрический привод с мотор-колеса-
Л.
Рис. 8.13. Схема способов разгрузки скреперов: а — свободный; б — принудительный; в, г — полупринудительный; д — скребковый свободный
ми. В Советском Союзе создан опытный образец самоходного скрепера с мотор-колесами и ковшом вместимостью 25 м3. Ковши самоходных скреперов с одной ведущей осью могут целиком наполняться только с толкачами, так как для этого у них не хватает собственной сцепной массы. На группу 6—7 скреперов требуется один специально оборудованный толкач. Самоходные скреперы с двумя ведущими осями могут разрабатывать малосвязные грунты без толкачей (они необходимы для разработки тяжелых суглинков и глин).    ■    \ По данным Н. Я. Хархуты и Н. В. Варламова, рациональная дальность перемещения грунта прицепными скреперами достигает 600 м, полуприцепными — до 5000—8000. По схеме подвески ковша различают скреперы рамной и безрамной конструкции. У первых ковш шарнирно подвешен к специальной раме, у вторых рамой, опирающейся на ось, является сам ковш. Способ загрузки ковша современных скреперов применяют либо силовой под давлением срезанной стружки грунта, либо свободный — с помощью встроенного в переднюю часть ковша скребкового элеватора (рис. 8.13, д). По первому способу ковш преодолевает большие сопротивления. У скрепера со свободной загрузкой скребковый элеватор установлен под углом 45—50° взамен передней заслонки. Срезаемый ножом грунт транспортируется в ковш нижней ветвью элеватора. Привод элеватора может быть гидравлическим или механическим при отборе мощности от основного двигателя или, реже, от автономного двигателя, установленного в задней части скрепера. У таких скреперов масса и мощность силовых установок на 18— 20% больше, чем у обычных, при равной производительности. Эти скреперы не могут работать в грунтах с каменными включениями. Хотя элеватор имеет три-четыре скорости (0,5—1,5 м/с), точно согласовать их с условиями разработки грунта трудно, из-за чего замедляется загрузка и увеличивается ее путь. Поэтому на операции наполнения таких ковшей времени расходуется на 10—30% больше, чем у обычных. К преимуществам скреперов с элеваторной загрузкой относят возможность работы их тонкими стружками постоянной толщины, что необходимо при планировочных и зачистных работах, более равномерную загрузку двигателя и разрыхление грунта. По способу разгрузки различают скреперы со свободной разгрузкой (вперед или назад), полупринудительной (щелевой или донной) и принудительной. При свободной разгрузке (рис. 8.13, а) весь ковш поворачивают на такой угол, при котором грунт высыпается из него под действием собственной силы тяжести. По полупринудительному способу (рис. 8.13, виг) ковш разгружается за счет поворота днища и задней стенки (при этом боковые стенки ковша остаются неподвижными). Недостатком свободной и полупринудительной разгрузки является неполная разгрузка ковшей при работе в переувлажненных грунтах. При принудительном способе разгрузки (рис. 8.13, б) грунт выталкивается из ковша движущейся вперед задней стенкой, что позволяет полностью разгружать ковш. Передние йаслонки могут быть плавающими или управляемыми. В первом случае при разработке грунта заслонка поднимается давлением призмы волочения, во втором — при помощи подъемного механизма, блокирующего управление заслонкой и ковшом. По системе управления рабочими органами различают скреперы с гидравлическим и канатно-блочным управлением. При гидравлическом управлении нож ковша заглубляется в грунт принудительно, а при канагно-блочном — под действием силы тяжести его. В первом случае улучшаются условия работы в тяжелых грунтах, сокращается путь загрузки и увеличивается производительность, грунт не высыпается из-за неполного закрытия заслонки. При наборе грунта скрепером следует стремиться наиболее полно заполнять ковш. Степень заполнения его зависит от многих факторов, из которых основными являются физико-механические свойства грунта, соотношение между основными размерами ковша, форма ковша, конструкция заслонки. Главным параметром скреперов является вместимость ковша <7к К основным параметра^ ковша относят также его ширину Вк, высоту #к Я длину LK (рис. 8.14). С уменьшением высоты и длины ковша, увеличением ши" рины сопротивление грунта снижается. У скреперов с большой вместимостью ковша увеличить ширину его невозможно по транспортным соображениям. Наиболее приемлемыми для определения внутренних размеров ковшей вместимостью 10<(7к<25 м3 являются размеры, м, определяемые по форму* лам подобия: Нк = (0,64н- 0,68) VqK- Як=а,20-н 1,30)у ^ Л=(0,73 ч- 0,79) у q^, /2=(1,27 1,30) ^ Рис. 8.14. Основные параметры ковша скрепера
где 1\ — длина днища, м; h — длина ковша поверху. Для сниженния удельных сопротивлений при определении вместимости ковша qK К. А. Артемьев рекомендует использовать соотношение между шириной ковша Вк и высотой Нк равным 1,4—3,0. Вместимость ковша qK, м3 3 6 10 15 Соотношение Вк/Я„ ... 1,7 1,9 2,2 2,5 Соотношение между длиной ковша LK и его высотой по рекомендации К. А. Артемьева можно принимать: Высота ковша Нк, м...... 1 1,5 2,0 Отношение Lh/Як........ 1,85 1,5 1,4 Совершенствование формы ковшей и режущей кромки скрепера является предметом дальнейших исследований. Так, Д. И. Федоров предложил режущую кромку полукруглой формы. Такой ковш лучше врезается в плотные грунты,, уменьшаются путь и продолжительность его наполнения. Сила сопротивления движению скрепера при копании грунта — величина переменная, она достигает максимального значения на заключительной стадии заполнения, ковша. Этот момент, как наибольший, принимают за расчетный. Потребное для работы тяговое усилие расходуется на преодоление сопротивления грунта резанию, сопротивления от трения ножа о грунт, от перемещения призм^ волочения и сопротивления, возникающего при заполнении ковша. Результирующая сила сопротивлений в конце копания слагается из сил сопротивления копанию РКоп и перемещению машины Яша'. Сила сопротивления грунта копанию скрепером -'0коп = 'Ррез + Ятр + Япр + -/0зап-    (8.28) Сила сопротивления грунта резанию Ярез = £рез^о    (8-29) где Fс — проекция площади стружки грунта на плоскость, перпендикулярную к направлению движения скрепера. Для прямого ножа для ступенчатого ножа Fc=bh-\-( BH — b) (h — c sin а), где В— длина ножа, равная ширине ковша скрепера; бис — длина среднего выступающего ножа у скреперов с ножом ступенчатой формы и величина его вылета относительно боковых ножей. Сила трения ножа о грунт Л-р=Л,Р-1 = ЛсФл = ihki^Fc,    (8.30) <h=/V^=0,4 -0,5. Сила сопротивления перемещению призмы волочения' грунта Рпр=дирЪ?г—~— ё-    (8-31) Объемы призм волочения в процентах от геометрической вместимости ковша указаны в табл. 8.6. Таблица 8.6 Объем призм волочения Грунт гя^вместимости ковша, м* 15 Песок Супесь Суглинок Глина Грунт, срезанный ножом стружкой определенной толщины, поступает в ковш -(рис. 8.14) и заполняет его заднюю часть до тех пор, пока поверхность его не займет положение АВ, определяемое утлом внутреннего трения <р. После этого начнет заполняться заслонка до уровня КС, определяемого также углом ср. Переменное заполнение ковша будет происходить до тех пор, пока высота грунта не достигнет определенного значения. В момент окончания наполнения ковша грунтом этот процесс можно рассматривать как подъем столба грунта AEDK, сжимаемого при- змами ВАЕ и KDC, сползающими на столб по линии естественного откоса. Сила сопротивления заполнению ковша P3SU=kHrpTg(F(,JrBHZHr),    (8.32) где k — коэффициент, учитывающий силу сопротивления, вследствие трения поступающей в ковш стружки о грунт, находящийся в ковше при изменении направления движения стружки на некоторый угол; Яг — высота грунта в ковше, м; Ви — длина ножа. Для песка &= 1,45-М,85; для супеси k= 1,30-ь-1,50: для суглинка k — 1,20-Ь-1,40; для глины £= 1,15-М,25. Меньшее значение соответствует пластичным грунтам и большим глубинам резания, а большее — сухим грунтам и меньшим глубинам резания и в конце заполнения ковша. Зависимость вместимости ковша qK от #г указана ниже. Геометрическая вместимость ковша qK, м3......... 6    10    15 Высота грунта в ковше Нк, м . 1,3—1,5 1,8—2,0 2,0—3,0 Коэффициент Z, учитывающий влияние сил трения при движении столба грунта внутри ковша, равен: Z = 0,5 sin 2<р, где ф — угол внутреннего трения (tg ф = jj,2) - Следует отметить, что в заключительной степени заполнения ковша для сопротивления характерно соотношение Л>ез + Л,ер=(0,3ч-0,4)Р. Производительность скрепера можно определить по формуле я.=ЗбооаЛАЛ*А),    (8.33) где tn — продолжительность цикла, с. При этом ^    h 1 ^»еР , Ly , + ^-пер + Ly ,    4 | ^ ц— „ Т {, ~1~ !, ~l~    V    Т/г»овТг11.л Г1 ОП, i/fp    Vy    vx где Lу — длина пути разгрузки скрепера, м; vy, vx — скорость скрепера при разгрузке и обратном ходе, м/с; /п.ц — время на переключение передач; /я.п = 6-ь8 с; 1аов — время на один поворот, /пов = = 15—20 с; ton — время на операции с ковшом, fon = 7-M0 с. Коэффициенты наполнения ковша скрепера зависят от вида грунта. При работе в сухом рыхлом песке их принимают равными 0,5—0,7 без толкача и 0,8—1,0 с толкачом, при работе в супеси и среднем суглинке соответственно 0,8—0,9 и 1,0—1,2, в тяжелом суглинке и глине — от 0,6—0,8 до 1,0—1,2. Длину пути наполнения скрепера определяют из выражения /,р=^к&н&п/(0,7Buhkp), где 0,7 — коэффициент, учитывающий неравномерность стружки; ka — то же, потери грунта при образовании призмы волочения и боковых валиков; /гп= l,2-f-l,6. Расчет на прочность узлов и деталей скрепера производят для положений, соответствующих наибольшей нагрузке (конец резания и транспортирования грунта). Нагрузки при транспортном положении груженого скрепера определяют для двух положений: прямолинейного движения скрепера и при повороте. Первое расчетное положение в движении схематически представлено на рис. 8.15. Скрепер движется по горизонтальной неровной поверхности. Ковш заполнен с шапкой. При определении нагрузок необходимо учитывать воздействие динамических нагрузок с учетом коэффициента динамичности (*д=2). Рис. 8.15. Схема для определения сил, действующих на скрепер в транспортном положении при прямолинейном движении
В вертикальную активную нагрузку Gс+г включают массу скрепера с тягачом и грунтом. Окружная сила Р0 на колесе направлена на преодоление сил сопротивления качению Рщер И Р2пер КОТОрЫв, в свою очередь, равны Plnep = Plf И R2nev = R2f, ГДе Ri и R2 — вертикальные реакции на передние и задние колеса. При движении машины должно быть обеспечено неравенство /Эо>^1пер + ^2пер=№+^2)/.    (8-34) Из уравнения моментов сил относительно точки О можно найти значение Rx и R2: Rili = Gc+rkKl; R2=Gc+TkA—Ri. По полученным значениям загрузок несущие и поворотные устройства рассчитывают на прочность. Во втором расчетном положении (рис. 8.16) тягач повернут на 90° по отношению к груженому скреперу, у которого заднее колесо находится в канаве глубиной Я = 0,5г„. Потребное окружное усилие на ведущих колесах для выезда из препятствия Ро=*Ро1 + Ро2,    (8-35) где Ро1 — сопротивление перекатыванию груженой машины; Ро2 — сопротивление препятствия. При этом P0] = Gc+r/ и PO2=PiB0/l. Горизонтальную составляющую Рщр реакции препятствия определяют по формуле ^1пр==    tg где tg а = /2/ (гк—К). Тогда -^lnp = jZ?2np-£Л. /-к — h Значение Р2пр можно принимать равным R2. Реакция сопротивления движению заднего колеса
По полученным нагрузкам рассчитывают тяговую раму и детали колес скрепера. Нагрузки на конструкцию скрепера определяют при копании им грунта. Максимального значения они достигают в конце наполнения и начале подъема ковша скрепера или при режиме копания с вывешенными задними колесами. В первом случае скрепер при движении по горизонтальной поверхности опирается на все колеса, ковш максимально наполнен грунтом. Расчетная схема для этого случая представлена на рис. 8.17. На скрепер действуют следующие активные силы: окружное усилие Р0, тяговое усилие толкача Ртяг, масса скрепера с грунтом G0+T, реактивные силы —реакции грунта на колеса Ri и R2, силы для преодоления сопротивления грунта копанию Рк и Рж, силы сопротивления движению колес /?шер и i?2nep- Кроме того, действуют реакции грунта на нож скрепера RK и RH, реакции в шарнире крепления тяговой рамы к ковшу Rx и Ry, а также уси-    ; ^ лие на штоке гидроцилиндров подъема ковша \ I /гц
h kx'
R2=Qz+r(l~li)ll-l — h h
Тогда
Я1ПР Gc_j-r
I Рис 8 16. Схема для определения сил, действующих на скрепер в транспортном положении при повороте:
r K-
а — вид сбоку, б —план
Масса ковша скрепера GK+r, меняющаяся по мере наполнения его грунтом,' имеет максимальное значение в конце наполнения Меняется и положение центра тяжести ковша с грунтом, зависящее от высоты подъема и опускания ковша. =£=Л//-1 г3 -& Л Рис 8 17. Схема для определения сил, действующих на скрепер в конце заполнения и начале подъема ковша Наибольшая сила тяги определяется мощностью двигателя тягача или условиями сцепления ходового устройства с грунтом. Для прицепного скрепера силу тяги при расчете на прочность принимают равной Ят    ^тТсц макс^т’    (8.36) где фсцмакс — максимальный коэффициент сцепления гусениц (колес) тягача с грунтом. Для полуприцепною и самоходного скрепера расчетная сила тяги равна ^>r = (jD0MaKC — ^1пер)^д,    (8.37) где Р0 макс — максимальное окружное усилие на ведущих колесах. Тяговое усилие толкача определяют по формуле ^”>гяг=: ^гТсц макс д>    (8.38) где йод — коэффициент, учитывающий одновременность работы скрепера и толкача; &Од = 0,8. Расчетная сила тяги с учетом работы толкача Яр=Ят + Я1ЙГ.    (8.39) При резании грунта и наполнении ковша на скрепер действуют силы со стороны грунта и призмы волочения Рк, Рн, Ru и RK. Силу Рк определяют из уравнения тягового баланса скрепера Як=Яр-(Япр+Я2пер),    (8.40) где Рар — сопротивление перемещению призмы волочения. Наибольшее значение Рк будет при минимальных значениях Рпр и Ргпер. Это возможно при работе скрепера на плотных грунтах, когда призма волочения отсутствует, а сопротивление перемещению колес минимальное Результирующая сил Ря и RH в процессе работы скрепера изменяется по величине и направлению. В начальный момент заглубления она направлена вверх, препятствуя заглублению ковша. Ее значение можно определить по несущей способности грунта и величине опорной поверхности ножа по формуле (8.12) Максимально возможное значение Rn выбирают из условия, что задние колеса скрепера полностью разгружены и при перемещении он опирается на передние колеса и нож ковша. При заглублении ножа вертикальная составляющая Рн направлена вниз и увеличивается по мере-наполнения ковша. Максимального значения Ра достигает в начальный момент выглубления ковша, когда давления на нож снизу нет. Значение Рн можно найти из условия равновесия сил, действующих на скрепер (см. рис. 8 17): 2^в=0;    — Рok-PJi —    Р’гяг^г— 0. (8.41) 2-^ = 0; PK-)-^inep + ^2nep~jDo —■'°гяг = 0;    (8.42) 0; С7К+Г — /?1 — Я2 + Ян=0.    (8.43) После замены в этих уравнениях Ршер и Р2пер на Pinep=iPif и Ргпер= Rif и их совместного решения находят значения Ri, Р2 и Рн. При режиме копания с поднятыми задними колесами скрепер опирается на передние колеса и ножи, укрепленные на подножевой балке (рис. 8.18). Уравнение сил, действующих на скрепер, в этом случае можно представить в следующем виде: .44)
2 М, = 0; GK+ г (/ - /2) - Р!ЯТк2 - PJi - Рп (1-1,) = 0; (8.46)
2* = 0; Рк+/?1Пер + /?1£-Яо-/,т,г = 0; = 0; GK+r-/?1-/?H=0. Совместным решением уравнений (8.44), (8.45) и (8.46) определяют значения Ri и Рн. В рассмотренных положениях скрепера подно-жевая балка скрепера будет работать на изгиб в горизонтальной плоскости под действием сил Рк и Рк, а в вертикальной—силы Рн (Рн). При этом нагрузка на балку будет максимальной. Для расчета следует сопоставить значения, полученные по разным вариантам,и принять максимальное. Рис. 8 18. Схема к расчету сил, действующих на скрепер при копании грунта с вывешенными задними колесами
Усилие в механизме подъема Рц можно определить, рассматривая силы, действующие на заднюю часть скрепера (см. рис. 8.17): —0; Ок+г (h~ h)-\-Pjs ' (^2 h j) ^2пер^1    PJ> 1 -/з) + /у4=0.    (8.47) , в упряжном шарнире крепле-
-^назначение составляющих Rx и Ry ния тяговой рамы следует определять из уравнений равновесия сил, действующих на ковш (см. рис. 8.17): РХ = РК;    (8.48) %у=0; P2 + Pn-GK+r±RH(PK)-Ry = 0.    (8.49) Скорость подъема ковша скрепера выбирают с таким расчетом, чтобы обеспечить нормальную работу машины при загрузке. При этом одновременный отбор мощности на механизмы управления обычно не превышает 20—30% установленной мощности. Для определения расчетных нагрузок данные, полученные при расчете на рабочем режиме, следует сравнить с данными, определенными при транспортном режиме, и выбрать наибольшие значения. Наибольшее усилие открывания заслонки возникает при разгрузке ковша с шапкой в начальный момент ее открывания. Схема сил, действующих на заслонку, показана на рис. 8.19, а. Из уравнения моментов сил относительно точки О находим %Мо = 0; Язас = Озас/з + ед/1,    (8.50) где G3ас — масса заслонки; Gr •—масса грунта в ней. Масса грунта в заслонке Gr зависит от ширины заслонки Взас, ее высоты Нзас, длины L3ac и формы. Определить ее точно сложно. Для приближенных расчетов принимают зас^зас-^засР гё ’ Рис 8 19 Схема к расчету разгрузочного устройства скрепера: а _ схема сил, действующих на заслонку; б — схема сил, действующих на заднюю стенку; в — эпюра давлений где &зас — коэффициент, учитывающий конфигурацию заслонки, ^зас — 0>8. Трение грунта по плоскости А В не учитывают, так как при повороте заслонки ее лобовая часть отходит от ковша и связь между грунтом в заслонке и грунтом в ковше нарушается. При определении усилия, потребного для принудительной разгрузки ковша скрепера, за расчетное положение принимают начало передвижения задней стенки при полной загрузке ковша грунтом и открытой заслонке (рис. 8.19, б). Силу Рр, необходимую для выталкивания грунта, определяют ло формуле />р=Ятр + Я6 + Яр.    (8.51) Сила трения грунта о днище ковща JDTP=°r!J-i = !J'^KPrg'/^p-    (8.52) Сила трения о боковые стенки ковша Яб-2^,    (8.53) где Еа — активное давление грунта на боковую стенку (рис. 8.19, в), Ea = 0,5HlTprk6Lg, где Яст — высота боковой стенки; кб — коэффициент бокового давления, зависящий от физико-механических свойств грунта, кв = = 0,6ч-0,8. Сила сопротивления качению роликов задней стенки по днищу ковша Яр=Ор/р,    (8.54) где Gp — суммарная нагрузка, действующая на все ролики; /р — коэффициент сопротивления качению роликов, /р = 0,104-0,15. По найденным значениям сил, действующих на скрепер, производят расчет на прочность его элементов. § 8.3. Автогрейдеры Автогрейдеры предназначают в основном для производства профилировочных работ при возведении земляного полотна автомобильных и железных дорог. Автогрейдерами можно выполнять и ряд других работ: планировать площадки аэродромов и строительные; отсыпать насыпи высотой до 0,6 м из боковых резервов, рыть и очищать кюветы и канавы трапецеидального и треугольного профиля, отрывать и планировать корыта для дорожных оснований; перемешивать грунт, щебень или гравийные материалы с вяжущими — битумом и цементом, а также разрушать дорожные покрытия, зачищать и планировать откосы насыпей и выемок; очищать улицы и дороги от снега. Автогрейдеры классифицируют по мощности двигателя и по соответствующей ей массе машины, по количеству осей и типу колесной схемы, по типу привода рабочих органов. Главным параметром этих машин по ГОСТ 9420—69 является их масса, которая определяет не только основные показатели, но и область применения на дорожно-строительных работах. Привод рабочих органов автогрейдера может быть механическим, гидравлическим или комбинированным (пневмогидравличе-ским). Наиболее распространены автогрейдеры с управлением объемным гидроприводом. Колесную схему, характеризующую конструктивную компоновку машины, обозначают буквами А-Б-В, где А — число осей с управляющими колесами; Б — число ведущих осей; В —общее число осей автогрейдера. С увеличением числа осей улучшаются планирующие свойства машины, увеличение числа ведущих колес повышает тяговые возможности машины, а увеличение числа осей с управляемыми колесами— ее маневренность. Однако автогрейдеры с колесной формулой 3X3X3 и 1X3X3 сложны конструктивно, дороги в изготовлении, в связи с чем выпуск их в настоящее время не превышает 4%, от общего количества Классификация автогрейдеров по указанным признакам приведена в табл. 8.7. Автогрейдер (рис. 8.20) состоит из силовой установки, трансмиссии, основной и тяговой рам, рабочих органов, ходовой части и механизмов управления рабочими органами и ходовой частью. К последним относят механизмы передвижения, подъема и опуска* Н
ex
£ & 3 * ° а
о
X (Г К с; к о Э
u А    С о £    9 О Н    g К    ^ о    „ X Q, и. 3 ь    о м U    а °    2-Е-
о
X
в со о XX —< см см
Си 4> « о. i— о н ей ч
О
о
со
со
см
ния правого и левого концов отвала, его поворота в горизонтальной плоскости, выноса тяговой рамы в сторону, бокового перемещения отвала, изменения угла резания, наклона колес в вертикальной плоскости и поворота их в горизонтальной плоскости. Передняя ось имеет поперечную балансирную подвеску. Задние колеса предусмотрены парные с продоль-но-балансирными подвесками, что позволяет автогрейдеру сохранять хорошие планирующие свойства при движении по неровной поверхности. Рабочим органом машины является отвал. К нему прилагают иногда сменное оборудование в виде удлинителя и откосника, которые нужны для увеличения ширины захвата при отделке откосов насыпей. В комплект автогрейдера входит также кирковщик, который используется для рыхления старого покрытия или грунта. Для выполнения автогрейдером различных работ изменяют положение отвала в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Передние колеса (у автогрейдеров со всеми управляемыми колесами и задние) могут наклоняться относительно вертикальной оси, что облегчает работу машины на косогорах, а при планировании откосов обеспечивает ее устойчивость, Изменяют положения отвала в горизонтальной плоскости вращением поворотного круга вокруг его вертикальной оси, а в вертикальной плоскости — подъемом или опусканием правого или левого концов тяговой рамы. Отвал можно


о с; о. с о _ о    и со    о ъ*    ^ У    о • .О V О- п Я Я |°§ Н 1 й &
со
CQ %
СО
о
о
также выносить в стороны. Для этого тяговая рама, к которой подвешен поворотный круг, специальным гидроцилиндром (или механизмом) может поворачиваться в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси крепления ее передней точки (шарнира). Передние колеса автогрейдера могут наклоняться относительно своей оси, что облегчает работу машины на косогорах. Задние мосты машины подвешены к основной раме посредством опорных балансиров и ре- Рис. 8 20. Конструктивная схема автогрейдера: / — рыхлитель; 2, 5 — гидроцилиндры; 3, 12— карданные валы; 4 — основная рама; 6 — вал рулевого колеса; 7 — кабина; 8 — двигатель; 9 — радиатор; 10 — задний мост; 11 — сцепление; 13 — коробка перемены передач; 14—отвал; 15 — поворотный круг; 16 — рама поворотного круга, 17 — цапфа переднего моста; 18 — передний мост активных штанг, передний мост — посредством шкворня. Наличие шкворня и балансиров позволяет автогрейдеру плавно передвигаться по неровной местности. Основным видом работ, для которых предназначен автогрейдер, является профилирование земляного полотна последовательными проходами по планируемой поверхности. Рабочий процесс машины состоит из операций вырезания грунта и перемещения его вдоль отвала при движении автогрейдера. Рабочий процесс выполняется за несколько проходов с различными установками отвала. Для расширения области применения и увеличения времени использования машины в течение года автогрейдеры снабжают сменным рабочим оборудованием различного назначения: бульдозерным, снегоочистителями плужным и роторным, грейдер-элеватором, дорожной фрезой, распределителем цемента. В качестве силовых установок на автогрейдерах обычно используют двигатели внутреннего сгорания. В узел трансмиссии входят многоступенчатая коробка перемены передач, раздаточная коробка, демультипликатор, главная передача и балансирные редукторы, что обеспечивает до десяти рабочих и транспортных скоростей. Выпускают автогрейдеры с гидромеханической трансмиссией, а также машины с гидромотор-колесами. Основные рамы автогрейдеров изготовляют преимущественно однобалочные трубчатого или коробчатого сечения. Ось рамы совпадает с продольной осью машины, что дает возможность в широких пределах изменять углы установки отвала в вертикальной плоскости и облегчает операцию по его выносу в стороны. Кроме главного параметра — общей массы машины — автогрейдер имеет ряд основных параметров: мощность двигателя N, силу тяги Рт, рабочие ураб и транспортные итр скорости, колесную схему, а также максимальное давление которое передается через нож на грунт от массы машины. Общая масса автогрейдера Ga и сцепная Gcn связаны следующей зависимостью: где | — коэффициент, равный единице в колесных формулах 3X3x3, 1X3X3, 2x2x2 и £ — 0,704-0,75 при формуле 1x2x3. Максимальную свободную силу тяги грейдера можно определить по сцепной массе Л = °сц'Рсц = °а^си-    (8.55) Свободное тяговое усилие, в свою очередь, можно использовать для срезания грунта. Этот случай выражает равенство Ъ?евОа = К^с,    (8.56) где фсц — коэффициент сцепления. По уравнению (8.56) можно определить то сечение стружки, которое можно снять при известной массе машины. При профилировочных работах ввиду больших площадей сечения корыта (кювета) их вырезают за п проходов. Если FK — общая площадь поперечного сечения корыта (кювета), то FQn = k0FK, где kc — коэффициент, учитывающий неравномерность сечения стружки при отдельных проходах; £0=1,3; FK — площадь сечения корыта (кювета); n=kQFJF с. Тогда из уравнений (8.55) и (8.56) можно определить оптимальную массу машины Ga kcF Kk-. е 3 ' f с IL ) ■ Опыт использования автогрейдеров показывает, что число проходов для вырезания корыта обычно составляет 6—8. При расчете сил сопротивления движению автогрейдера следует исходить из наиболее тяжелых условий работы — копания и перемещения грунта. Сила сопротивления копанию грунта автогрейдером ^п=/>Рез+ЛР1+р;.р+/>;р2+/>>    (8-57^ Сила сопротивления грунта резанию ^Pe3 = WcT-    I8'58) где .FCT — площадь стружки. Если стружка грунта вырезается половиной длины отвала, то = ГА sin Х/(4|Л£2г —4/г2). Сила на преодоление трения ножа о грунт Ягр = P'i/5„= 1*1''    Аез4,А    (8-59) Сила на преодоление сопротивления перемещению призмы волочения
/>;p=^G„PsinX.    (8.60) Приближенное значение Gnp можно определить по уравнению 0„p=?rLmg(Hot - 0,25/z)2/(2&ptg 8), где б — угол естественного откоса грунта. Сила трения грунта при движении его вверх Рис. 8.21. Схема от- П° °ТВаЛУ вала автогрейдера    Р'^2 = р.1Опр COS2 а.    (8.61) Сила трения грунта при перемещении его вдоль по отвалу p'rp2=№OnpcosA.    (8.62) Развиваемое автогрейдером тяговое усилие должно быть больше сопротивлений, возникающих при работе машины. Основными параметрами отвала считают его длину L0T и высоту Яот. Длина должна обеспечивать вырезание стружки и перемещение ее на необходимое расстояние, а высота — формирование валика грунта и перемещение его перед отвалом. Параметры отвала были приведены в табл. 8.7. Отвалы автогрейдеров изготовляют с радиусом постоянной кривизны (рис. 8.21), величину которого определяют по формуле r = H0T/(cos cos а), где а — угол резания; в-^ависимости 'от вида работ изменяют в пределах 30—80°. Обычно принимают а = 30—45°. Изменяют углы резания отвала вручную. Чтобы исключить пересыпание грунта за отвал, угол опрокидывания -ф принимают равным 65—70°. При установке углов должно-быть обеспечено равенство а + ш+1|) = я. Угол захвата % в зависимости от выполняемых работ обычна составляет 30—40° при вырезании грунта, 60—75° — при перемещении грунта в сторону и 90° — при планировочных работах. Угол наклона отвала в вертикальной плоскости 0 (угол заре-зания) при резании устанавливают в пределах 0—30°. При выполнении планировочных работ на откосах насыпей и выемок в случае выноса отвала за пределы тяговой рамы он соответствует уклону откоса и может достигать 80°. Размер базы L0, колеи В0 и связанного с ними радиуса поворота автогрейдера гп (рис. 8.22) выбирают такими, чтобы машина имела наименьшие размеры и можно было маневрировать отвалом. Следует также учитывать, что чем ближе отвал к задней оси авто-грейдера, тем лучше его планирующая способность.
Расстояние от точки крепления тяговой рамы к передней оси до оси вращения отвала определяют из условия полно-поворотности отвала. Поэтому минимальный размер базы автогрейдера L0 ми„=DKoy~D~^Bl+21, где I — минимальный зазор между колесом и отвалом; I= = 50 мм. Минимальная длина базы трехосного автогрейдера должна быть равной ^омин = мин "Г Асол/2 ~Hl/2- У трехосных машин обычно L0'= (1,4ч-1,7) Lot, а у двухосных L0= (1,3-ь1,5) L0T. При одной передней управляемой оси радиус поворота по колее переднего наружного колеса равен rB = L'Jsin Ркол, где ркол — угол поворота наружного управляемого колеса. Производительность автогрейдера определяют по объему вырезанного и перемещаемого грунта в единицу времени, в километрах спрофилированной дороги или в квадратных метрах спланированной площади. Она зависит от основных параметров автогрейдера (размеров ножа, мощности двигателя, тягового усилия), а также от условий работы. При возведении земляного полотна дороги из двустороннего резерва производительность автогрейдера можно определить na = 3600q0kjta,    (8.63) где q0 — объем вырезанного в резерве и перемещенного в тело насыпи грунта; tn— время, затраченное на разработку и перемещение грунта в объеме q0. Если работа производится на участке протяженностью Lv, км. то объем грунта, вырезанного автогрейдером за один проход туда и обратно, составит q~2- 1000LPFC, м3, а время цикла ta ^рез —Ь ^пер “Ь ^пов’ где ^пов — время разворота автогрейдера в конце участка. Площадь сечения стружки можно определить по формуле (8.56). Время вырезания грунта буде! равно £рез = 2/,р/иь, а время переме-- щения грунта Рис 8 23. Схема к расчету усилий, действующих на автогрейдер
^пер •^-^'пер/'^гр где ик=0,83~М,10 м/с, утр = = 1,6-ь2,2 м/с. Производительность автогрейдера при профилировании можно определить по формуле ЯЭ = 1ПАЛП, (8-64) где Lnn—длина участка профилирования, км; ta — время профилирования, ч, 4 = LnJlhnn 4ов (П — 1 )/60, где п — число проходов, необходимое для профилирования. Анализ использования автогрейдеров на строительстве автомобильных дорог показал, что на создание заданного профиля земляного полотна требуется от 10 до 16 проходов. В процессе работы автогрейдера на его рабочий орган и колеса действуют силы, величина которых зависит от физико-механических свойств грунта, параметров рабочего органа и технологического процесса работы. На рис. 8.23 показана схема сил, действующих при копании и перемещении грунта на автогрейдер с наиболее распространенной колесной формулой 1x2x3. Передние колеса соединены с рамой балансирно. Так же установлены левая и правая пара задних колес. ^ При заданной мощности привода машины и скорости передвижения известно суммарное тяговое усилие машины Р=АР0.    (8.65) Известна также масса машины Ga. Требуется определить следующие неизвестные: Рх, Ру, Pz — составляющие сил, необходимые для преодоления сопротивления копанию и перемещению грунта по ножу; Ri, R2, Rs — вертикальные реакции грунта, действующие на ходовые колеса; i?inep, i?2nep, Rsnep — сопротивления движению колес: Рqi, Р§2— боковые реакции, действующие на колеса. Используя положения теории косого клина (см. гл. 3), можно записать Pz = DyPx\    (8.66) Py — D2Py    (8.67) При известном сопротивлении передвижению *lnep = /*i;    (8-68) Я2пеР=//?2;    (8.69) /?зпер = /^з.    (8.70) Из условий равновесия системы можно заключить, что = />, + 2/?1пер + 2^2пер + 2/?3пер-4/>о = 0;    (8.71) = 0; Ру + 2Р~а1-РЬ2=0-    (8.72) %Рг1 = 0; Рг -f-Оа — 2/?3 — 2/?2 — 2/?х = 0;    (8.73) 2^ = 0; РЛ-2/?1-|-+2/?2-^- = 0;    (8.74) 2М„ = 0; Рг/2 + Оа/4-4^; = 0;    (8.75) 2^=0; /у 3- /у2- 2P61Z.0 + 2/?1пер + 2/?2пер -А- = 0. Формулы (8.66ч- 8.76) представляют собой систему 11 уравнений, решение которой позволяет определить перечисленные выше 11 неизвестных усилий, действующих на автогрейдер во время работы. Возможность реализации полученного значения тягового усилия РТ = 4Р0 следует проверить по условию изменения 4Р0 = (Оа-}-/\)?сц.    (8.77) Кроме того, необходимо проверить машину на устойчивость. Для этого горизонтальные силы Pgj и Р§2 следует проверить по условиям сцепления Р&1    Рб2 j^2cPcu" Обычно средние скорости управления рабочими органами автогрейдера соответствуют данным, указанным в табл. 8.8. Таблица 8.8 Средние скорости движения механизмов автогрейдера Скорости при управлении Операции механической гидра вли ческ ом Подъем отвала, см/с Опускание отвала, см/с Подъем кирковщика, см/с Боковой вынос отвала, см/с Наклон колес, град/с Величину подъемного усилия определяют для самого невыгодного положения, при котором отвал заглублен одной стороной, на него действует максимальная горизонтальная реакция грунта, а угол захвата равен 90°. Принимают, что сила тяжести отвала, поворотного круга и тяговой рамы сосредоточена в центре тяжести системы, вертикальная составляющая грунта направлена вниз и препятствует выглублению отвала. Все эти усилия преодолеваются одним подъемным механизмом, усилие в котором определяют, пользуясь расчетной схемой на рис. 8.24: Рц=01.р/1 + Як/2-Якг//з,    (8.78) где GT р — масса тяговой рамы, поворотного круга и отвала. Рис. 8 24 Схема для определения усилий подъема отвала автогрейдера
Расчет деталей подъемного механизма на прочность производят для случая вывешивания передней оси автогрейдера на отвале при упоре последнего в твердый грунт. Отвал поворачивают в горизонтальной плоскости только в поднятом положении. Поэтому небольшие усилия, возникающие в механизме поворота, а также мощность, расходуемую на поворот отвала, не рассчитывают. При расчете деталей поворотного механизма на прочность полагают, что отвал вынесен в сторону и к его концу приложена максимально возможная сила Рк, которую определяют по формуле (8.58). Тогда с учетом коэффициента динамичности кд момент на поворотном круге находят по формуле Мпов=k1PKlx,    (8.79) где I — расстояние от конца отвала до центра поворота круга. При работе автогрейдера на косогоре и при планировании откосов насыпей необходим такой наклон колес, который придает машине большую устойчивость (рис. 8.25, б). Механизм наклона колес позволяет изменить угол наклона колес |3Кол к нормали в пределах 0—30°. При отсутствии наклона колес (рис. 8.25, а) появляется составляющая Р, которая суммируется с боковой силой Рб==Рб2- Последняя проявляется при резании грунта. Общая сила, которая перемещает переднюю ось машины вниз по косогору, будет равна />+/>6=(C?n/2)sina4 + Pe2,    (8.80) где Gn — нагрузка на переднюю ось с учетом массы последней. Если колеса наклонены (Р = 0), то положение машины на косогоре становится более устойчивым. Наклон колес осуществляется за счет действия веса машины, а выведение колес из наклонного положения в вертикальное производится гидроцилиндрами. При выпрямлении колес точка приложения веса передней оси поднимается на высоту h (рис. 8.25, в):
где Рколмакс — максимальный угол наклона колеса. Затраченная для выпрямления колес работа может быть определена по формуле A=Qnh=G-D±°- (1 — cos 3№л макс), а необходимая мощность определяется из выражения дг    - (1 — cos Зкод макс), 2- 10^вт] где — время выпрямления колес, 4=12 с; г| — к. п. д. механизма подъема. § 8.4. Грейдер-элеваторы Грейдер-элеватор (рис. 8.26) — это землеройно-транспортная машина, используемая для послойной разработки грунта с помощью рабочего органа в виде ножа или совка и перемещения его ленточным конвейером или метателем в отвал или транспортные средства. Как машины непрерывного действия, грейдер-элеваторы обеспечивают высокую производительность. Применяют их для возведения невысоких насыпей автомобильных и железных дорог из боковых резеровов преимущественно в равнинной местности, разработки выемок с перемещением вынутого грунта в отвал, устройства поЛунасыпей на косогорах с поперечным уклоном до 12° и рытья небольших каналов для орошения земель. Грейдер-элеваторами можно разрабатывать грунты I—III категорий без крупных каменистых включений. Высокой производительности грейдер-элеваторов в значительной степени способствует разделение функций резания и перемещения грунта между рабочими органами — ножами и транспортерами. Однако их целесообразно применять лишь на линейных работах при большой протяженности участков, где можно обеспечить работу в постоянном режиме. По типу рабочих органов различают грейдер-элеваторы с дисковым (сферическим), плоским или полукруглым ножом, с совковым режущим инструментом и с системой прямых или полукруглых ножей. В зависимости от расположения отвальных конвейеров их разделяют на машины с диагональным и поперечным расположением конвейеров. Некоторые конструкции грейдер-элеваторов оборудо- Рис. 8.26. Конструктивная схема полуприцепного грейдер-элеватора: t — трактор-тягач; 2 — генератор; 3 — траверса; 4 — рама; 5 — планировщик; 6 — балка, 7 — конвейер, 8 — дисковый нож ваны поворотными конвейерами или имеют транспортирующие устройства в виде метателей. Грейдер-элеваторы с системой прямых или полукруглых ножей и диагональным расположением конвейеров называют стругами и ими обычно перемещают грунт только в транспортные средства. По способу перемещения грейдер-элеваторы разделяют на прицепные, полуприцепные, навесные и самоходные. По ГОСТ 7125—76 предусмотрен выпуск грейдер-элеваторов производительностью в 400, 630, 1000 и 1600 м3/ч. Основным типом является по-луприцепной вариант. Навесные грейдер-элеваторы выпускают в виде сменного навесного оборудования к автогрейдерам. По типу приводов грейдер-элеваторы разделяют на машины с механическим, гидравлическим и многомоторным дизель-элект-рическим приводом. В" конструкциях самоходных грейдер-элеваторов применяют мотор-колеса. При работе грейдер-элеватор последовательно проходит по обрабатываемому участку, вырезая грунт и подавая его конвейером в транспортные средства или отвал. Двигаясь за буксирующей машиной, нож опускается и поднимается с плужной балкой гидроцилиндрами, которые позволяют регулировать сечение снимаемой стружки в зависимости от сопротивления грунта резанию. Вырезанная стружка грунта отваливается на приемную часть конвейера, которая расположена наклонно в плоскости, перпендикулярной оси машины. Конвейер состоит из двух шарнирно соединенных секций, подвешенных в трех точках к раме машины. Угол наклона верхней секции конвейера и, следовательно, высоту подъема грунта для разгрузки регулируют гидроцилиндрами соответственно высоте отсыпаемой насыпи. Нижняя секция конвейера во время работы поддерживается лыжей, скользящей по грунту. Конвейеры грейдер-элеваторов снабжают очистительными устройствами в виде шнеков, подвижных и неподвижных скребков, предназначенных для снятия налипшего на ленту грунта. Для перевозки конвейер грейдер-элеватора можно складывать, что сокращает транспортные габариты машины и повышает ее устойчивость. Длину конвейера можно изменять за счет съемных вставок, что позволяет регулировать дальность бокового перемещения вырезанного ножом грунта, а также высоту его разгрузки. Управление рабочими органами грейдер-элеваторов предусмотрено гидравлическое. Для приведения в действие конвейера используют двигатель внутреннего сгорания или гидромотор. Рис 8 27 Параметры рабочего органа грейдер-элеватора.
Некоторые грейдер-элеваторы снабжают дополнительными рабочими органами — планировщиком и откосником, предназначенными для зачистки предварительной планировки дна резервов и боковых стенок отрываемых каналов. Откосник устанавливают вместо ножа. d — установка ножа в вертикальной плоскости, б— то же, в плане
В последние годы начали применять совковые рабочие органы, которые позволяют снизить энергоемкость копания и уменьшить потери грунта при передаче его с режущего рабочего органа на конвейер. К основным параметрам грейдер-элеватора относят размеры и углы установки дискового ножа, а также возможный вылет и высоту установки конвейера. Дисковый нож вогнут по сфере, а его режущая кромка образуется конусной заточкой. Обычно применяют дисковые ножи диаметром Z)H = 6004-1200 мм. Радиус кривизны ножа гн устанавливают равным 0,85—1,0 м. Определяют радиус в соответствии со схемой, показанной рис. 8 27: гн=£>« j (2 Sin y-j. Угол заострения принимают в пределах (3= 154-20°. Нож устанавливают на плужной балке с учетом угла установки 0 в вертикальной плоскости и угла захвата X в горизонтальной плоскости. Угол 0 зависит от угла резания а. Оптимальные значения углов а и X приведены в табл. 8.9. Задний угол у принимают не менее 3°. Таблица 8.9 Оптимальные значения углов а и % Грунт Угол резания а Угол захвата X Глинистый Суглинистый Супесчаный Песчаный При работе грейдер-элеватора необходимо с наименьшими потерями вырезать грунт и подавать его на конвейер. Последнее условие можно выполнить в том случае, если вырезанный пласт грунта попадает на середину конвейера. Это возможно при выборе расстояния от наиболее приближенной к конвейеру кромки ножа до переднего края конвейера по формуле Ь^2ВЛ/3, где Вп — ширина ленты конвейера. Зазор между ножом и конвейером должен быть минимальным: Й1 = 3ч-6 см. Нож заглубляют в грунт на глубину h— (0,44-0,5) £>н-При таком заглублении и оптимальных углах установки ножа сечение стружки Fc колеблется в пределах (0,154-0,30) Dn2. Для средних условий его можно принимать При разработке грунта грейдер-элеватор преодолевает силы сопротивления перемещению машины Рпер и копанию грунта Ркоп-Сопротивления, возникающие при трении конвейера о грунт и от призмы волочения, не учитывают вследствие их незначительности. Сопротивление грунта копанию PKOU=kFc=0,2Dlk,    (8.82) где k — удельное сопротивление грунта копанию; Fc — площадь сечения стружки. При определении сопротивления перемещению грейдер-элеватора следует учитывать вертикальную составляющую сопротивления грунта копанию Рн и массу грунта, находящуюся на конвейере: Рн^Лоп, где гр! — коэффициент, равный 0,4—0,5. Масса грунта @г== F! QprLxg/'v]l, где П0 — производительность грейдер-элеватора; Ья — длина ленты конвейера. Производительность грейдер-элеватора зависит от способа его работы и длины участка. При возведении насыпи из двусторонних резервов производительность его можно определять по формуле 3600й6£йп£ф£в L/v раб + ^пов (8.83)
где fen — коэффициент потерь грунта, прямоугольных ножей, kn=0,90-7-0,95 коэффициент отклонения формы ножа от прямоугольной; кф—0,85 для дисковых ножей, &ф=1,0 для системы прямоугольных ножей; L — длина участка разработки, м; ^пов — время, затрачиваемое на поворот, с. L/Vpa(, + Lfox + 2^ (8.84) Рис. 8.28. Схема к определению сил, действующих на грейдер-элеватор
Для случая возведения насыпи из одностороннего резерва 3600ЗД££и&ф£в
где их — скорость холостого хода, м/с. При разработке грунта с погрузкой его в транспорт на производительность влияют перерывы для смены траепортных средств: &п=0,95-^0,98 при системе при дисковом ноже; — m0hbLknk$kB Пэ=--3-(8.85) -^Л'раб + ^пав + {П — \)tc где п — число транспортных единиц, погружаемых на данной длине участка; tс — время, затрачиваемое на смену транспортного средства, с. При работе на грейдер-элеватор действуют силы, схема которых показана на рис. 8.28. Активными силами являются масса тягача GT и грейдер-элеватора Ga, масса конвейера с грунтом GK+r и окружная сила на колесах Р0; реактивными — составляющие сопротивления грунта копанию Рк, Рн, Ръ вертикальные реакции на колеса Ri и R2, боковые реакции на колеса Р^ и Рд2 и сопротивления перекатыванию колес i?inep и i^uep- Определить неизвестные силы можно по методикам, изложенным в § 8.1, 8.2 и 8.3. Значение составляющей сопротивления грунта копанию; для полупридепного грейдер-элеватора Лс=(Лз—-^пер) £д; (8.86)
для прицепного Рк— ' Rnep) К где Рт— тяговое усилие на крюке тягача; Рпер— сопротивление перемещению машины; &д — коэффициент динамичности. Вертикальную Рн и боковую Рб составляющие сопротивления копанию можно определить в зависимости от значения ^н=тЛ; рб='Урк- Значения ofi и ij/, зависящие от положения дискового ножа, можно определить по углам установки и захвата ножа (см. гл. 3). По найденным значениям сил производят расчет машины на прочность, исходя из условия внезапной встречи ножа с непреодолимым препятствием. При этом рассматривают два варианта: первый, когда нож опущен на полную глубину; второй — нож находится на уровне поверхности грунта. Коэффициент динамичности принимают равным &д= 1,5. § 8.5. Устойчивость землеройно-транспортных машин Землеройно-транспортные машины необходимо проверять на устойчивость при работе, так как они часто преодолевают значительные продольные и поперечные уклоны. Машины могут опрокидываться при перемещении и работе на больших уклонах, а шарнирно-сочлененные машины — при повороте на горизонтальной площадке. Рис. 8 29 Схема к _ определению продольной устойчивости машины
При больших продольных уклонах машина может остановиться вследствие ее опрокидывания или из-за недостаточного сцепления ее ведущих колес с грунтом ввиду перераспределения нагрузок между осями машины при движении на подъем. Опрокидываются нередко при работе короткобазовые машины, в частности бульдозеры на базе колесных двухосных тягачей. В этом случае кроме массы машины GM должно быть учтено и максимальное тяговое усилие РТмакс> приложенное к крюку (рис. 8.29). Расчеты на устойчивость целесообразно вести путем установления максимального угла наклона аммакс, при котором машина может опрокинуться. Уравнение моментов сил относительно точки А можно составить в виде Рг макс^1    sin ам 4aKC=cos ам Maj,c, где ам макс — максимальный угол наклона местности. Отсюда Р? макс^1 GM (/j COS ам MaKC fl2 Sin CtM MaKc)'    (8.87) Максимальное тяговое усилие машины по сцеплению ^мТсц COS ССМ макс ^5- макс-f- Sin ССМ макс,    (8.88) где фСц — коэффициент сцепления. Отсюда . Рт итсс~Оы (срсц cos ам макс—sin ам макс).    (8.89) Решив совместно уравнения (8.87) и (8.89), получим Рис. 8.30. Схема к определению максимального угла наклона по условию сцепления
tga„ = ^~Al^-. (8.90) Возможность преодоления подъемов зависит от условий сцепления ведущих колес машины с поверхностью грунта. С увеличением угла ам (рис. 8.30) сцепление колес ухудшается из-за уменьшения действующей на них нагрузки. Максимальное тяговое усилие, которое может быть достигнуто при движении машины на подъем характеризуется углом фсц при условии сохранения сцепления ведущих колес с грунтом. Это усилие можно определить по формуле Рт макс    сц’ где R — реакция грунта на ведущие колеса. Значение R определяют из уравнения моментов сил относительно точки В: R—{OJL) (lx cos aM макс h sin схм макс).    (8.91) Тогда P-t макс== (^мсРсд/^') (A cos ом макс h sin ям макс).    (8.92) Вместе с тем тяЛэвое усилие, необходимое для движения машины, должно быть равно макс== cos ям макс-(-С?м Sin ССМ макс.    (8.93) Решение уравнений (8.29) и (8.93) даст возможность определить максимальный угол подъема: tgaMMaKC= ll?°rLf , .    (8.94) L + <рсч/г где/ — коэффициент сопротивления перемещению машины; h — высота центра тяжести тягача. При больших углах подъема для самоходной машины типа скрепера будет невозможно реализовать максимальное тяговое усилие. Поперечную устойчивость машины при движении по косогору следует проверять при одновременном ее повороте (рис. 8.31). Развиваемая в этом случае сила инерции будет способствовать опрокидыванию машины. Силу инерции можно найти из выражения Рис. 8.31. Схема к определению боковой устойчивости машины
Pj=GuvJgrn, (8.95) где гп — радиус поворота. Из уравнения моментов сич относительно точки А находим Рjh-\- Qu(h sin ач на^с) —(BJ2) cos ам MaKC= 0, (8.96) где Р3 — сила инерции при торможении, v2/rn + g(k sin ам М£ЖС) — (В0/2) cos ам макс—0-    (8.97) Из уравнения (8.97) можно определить предельное значение угла ам макс, при котором устойчивость машины не нарушится. Шарнирно-сочлененные машины, а также смонтированные на базе одноосных тягачей могут потерять устойчивость при повороте на горизонтальной площадке. Рис. 8.32. Схема к определению поперечной устойчивости шарнирно-сочлененной машины при повороте
Наиболее опасен случай поворота порожней машины, когда одновременно производится ее торможение. Потерять устойчивость она может при нахождении оси колес тягача на одной прямой, проходящей через точку контакта заднего колеса с грунтом (линия опрокидывания х—х, на рис. 8.32). X Из уравнения моментов сил, действующих на машину относительно л:—х, можно написать выражение р,ь+оа1=ол    (8-98) Тогда условие устойчивости будет иметь вид где Pj — сила инерции, развивающаяся при торможении тягача: j — отрицательное ускорение при торможении; / = 3-^5 м/с2; h — высота расположения центра тяжести тягача.
Из сопоставления геометрических размеров можно получить
h=(BJ2) sin Эс — lx cos нс,
где рс — угол складывания
Тогда условие устойчивости машины при движении по косогору будет иметь вид
Ок + /) < Gn {^- sin рс - lx cos ЗсJ.    (8.99)
ГЛАВА 9 МАШИНЫ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТОВ
§ 9.1. Общие сведения
Долговечность и устойчивость земляных сооружений и сооружений, возведенных на грунтовых основаниях, зависят от качества уплотнения. Уплотнение грунтов — одна из важных операций в технологическом процессе строительства. Качество уплотнения зависит от правильного подбора и использования уплотняющего оборудования, определяемого характером грунтов и условиями производства работ. Грунты уплотняют в насыпях, на откосах, при засыпке траншей и котлованов, на больших площадях и в труднодоступных местах, в стесненных условиях. Для таких разнообразных условий работы требуются особые машины, которые различаются как по конструкции, так и по принципу действия. Основная масса машин предназначена для уплотнения насыпных грунтов.
Процесс уплотнения грунтов включает в себя две идущие параллельно операции: разрушение существующей структуры грунта и создание новой, более устойчивой к различным механическим воздействиям. Чем менее прочна исходная структура грунта, тем легче она разрушается и, следовательно, тем эффективнее уплотнение и наоборот. При уплотнении частицы грунта смещаются. Это необходимо для наиболее компактной их укладки, вытеснения жидкой и газообразной фазы и сопровождается уменьшением объема и формированием плотной и прочной структуры, способной выдерживать нагруЗки, связанные с эксплуатацией инженерных сооружений.
Однократная нагрузка и разгрузка грунта вызывает как остаточные, так и упругие деформации, причем остаточные деформации значительно превосходят упругие. При многократном действии нагрузки и разгрузки соотношение упругой и остаточной деформаций постепенно меняется и, грунт, в конце концов, приходит в состояние, отличающееся постоянством его упругих свойств.
Если увеличить нагрузку сверх той, при которой упругие свойства грунта стали постоянными, то в грунте вновь возникнут остаточные деформации, которые при достаточно большом числе повторений нагрузки и разгрузки приведут его в новое стабилизированное состояние с большим модулем упругости. Увеличивать нагрузку можно лишь до тех пор, пока не будет достигнут предел прочности грунта. С дальнейшим повышением нагрузки появляются преимущественно деформации сдвига, сопровождающиеся трещинами и даже разрыхлением сложившейся структуры. Это свидетельствует о том, что предел прочности грунта превзойден.
Рассматривая процесс накопления необратимой деформации уплотняемого грунта при однократном или периодическом нагружениях, следует иметь в виду, что качественных различий между ними нет. В обоих случаях при одинаковых силах деформации зависят от времени (непрерывного или суммарного) действия нагрузок. Однако при одинаковом общем времени действия нагрузки рост необратимых деформаций под действием периодического нагружения идет несколько быстрее. Объясняется это тем, что во время периодических разгрузок грунта частично или полностью успевает восстанавливаться лишь обратимая часть деформации. При этом несколько изменяется взаимная ориентация частиц грунта и уменьшается их самозаклинивание. Поэтому при повторном нагружении деформация грунта облегчается.
С учетом этих свойств грунтов уплотнение их машинами производят посредством периодически повторяющихся нагружений и разгрузок грунта — так называемых цикличных нагрузок. При таком режиме работы чередуются изменения напряженного состояния грунта.
В зависимости от характера нагружений меняются максимальное значение достигаемого напряжения, скорость его изменения и время действия нагрузки, т. е. основные факторы, определяющие эффективность уплотнения.
Характер изменения напряженного состояния под рабочим органом определяет проявление тех или иных свойств грунта. Поэтому в зависимости от вида нагружения различают статические и динамические воздействия на грунт. Статическое воздействие характеризуется сравнительно небольшими скоростями изменения напряженного состояния грунта и происходит оно под действием постоянной или плавно изменяющейся нагрузки. Такое воздействие реализуется обычно давлением массивного колеса или барабана, перекатываемого по поверхности уплотняемого грунта.
При динамическом воздействии на грунт резко изменяется напряженное состояние его под ударами массивного элемента рабочего органа вследствие прохождения через грунт ударных волн» вибрационного воздействия и т. п.
В соответствии с различными воздействиями на уплотняемый грунт выпускают машины статического (прессование, укатка) и динамического действия (удар, вибрация, удар совместно с вибрацией). Границы между указанными типами машин часто оказываются довольно расплывчатыми. Так, при работе машин статического действия наблюдаются динамические эффекты, которые в зависимости от конструктивного исполнения машины и режима ее работы могут быть выражены в большей или меньшей степени. Трудно установить также четкую границу между ударно-вибрационными и вибрационными машинами. Еще сложнее разграничить ударно-вибрационные и ударные машины.
Вместе с тем, несмотря на некоторую неопределенность в границах, подобная классификация машин дает возможность достаточно правильно оценивать основные факторы воздействия на грунт.
§ 9.2. Машины статического действия
К машинам статического действия относят прицепные, по-луприцепные и самоходные катки. Рабочими органами катков являются металлические вальцы (гладкие, кулачковые, решетчатые) или колеса с пневматическими шинами. Вследствие простых и экономичных средств уплотнения грунтов этими машинами они получили наибольшее распространение.
Рис. 9.1. Распределение давлений под гладким вальцем: а — неподвижным; б — движущимся; hQ и hn — обратимая и необратимая части полно* ^    деформации
Катки с гладкими вальцами применяют давно, начиная со средних веков, главным образом для уплотнения несвязных грунтов. Однако в настоящее время вследствие малой глубины уплотнения (до 20 см) эти катки применяют в основном в качестве рабочих органов вибрационных машин.
Рабочий процесс катков с гладкими вальцами состоит из многократного перекатывания вальцов по поверхности уплотняемого грунта, т. е. цикличного воздействия на него. Деформации и связанное с ними уплотнение происходят в результате давления, создаваемого силой тяжести вальцев.
На рис. 9.1 показаны схемы распределения контактных давлений на грунт под неподвижным и движущимся вальцами. Для увеличения контактного давления внутреннюю полость вальца загружают балластом через специальный люк, расположенный в торцовой части. Максимально допустимое контактное давление для рабочего оогана в виде гладкого вяльпа можно вычислить по формуле
Змакс = VJm,    (9Л)
где R—радиус вальца; Е — модуль деформации грунта; р — линейное давление, определяемое как отношение силы тяжести валь-на с балластом к его ширине.
Опыты показали, что наиболее эффективно грунт уплотняется при Омане = (0,84-0,9)аг, где аг — предел прочности грунта.
Из механики грунтов известно, что при вдавливании в грунт штампа поле напряжений под ним характеризуется убыванием последних по глубине. С глубиной соответственно убывает и деформация, что исключает возможность равномерного уплотнения грунта по глубине в пределах зоны действия нагрузки.
Однако в теории машин для уплотнения грунтов при рассмотрении поля напряжений выделяют зону, в пределах которой в процессе уплотнения деформации грунта распределяются более или менее равномерно. Эту зону называют активной, а ее глубину — глубиной активной зоны. В пределах активной зоны реализуется 80—90% всей необратимой деформации, поэтому глубина активной зоны является одной из важнейших характеристик уплотняющей способности машин. Глубина активной зоны, а следовательно, и оптимальная толщина уплотняемого слоя зависят от вида и состояния грунта, а также геометрических характеристик штампа.
Для гладких цилиндрических вальцев, по данным Н. Я. Харху-ты, глубину активной зоны /га в см рекомендуется вычислять с помощью эмпирических выражений: для связных грунтов
K=§$(WiW0)VpR\    (9.2)
для несвязных грунтов
ha=0,Z{WIWo)VpR,    (9.3)
где р — линейное давление, кг/см; R — радиус вальца, см; W и Wо — фактическая и оптимальная влажность грунта, %.
Из выражений (9.2) и (9.3) следует', что толщина уплотняемого слоя зависит от радиуса вальца и линейного давления. Поэтому для увеличения /га следует R и р назначать как можно большим. Однако значение линейного давления ограничивается пределом прочности грунта, а эксплуатационные и технологические требования ограничивают радиус вальца значениями до 1 м. Этим и объясняется малая глубина уплотнения.
Некоторые катки имеют разрезные вальцы. В этом случае на одной оси располагают два вальца с малым зазором между ними. Независимое друг от друга вращение обеих половин облегчает движение машины на поворотах.
Ширину вальцев Ь выбирают обычно по эмпирической зависимости
4>(1 + 1,2)А    (9-4)
где D — диаметр вальца.
Ширина вальцев должна обеспечивать необходимую маневренность и устойчивость машины.
Эффективным средством уплотнения связных грунтов являются кулачковые катки. В отличие от катков с гладкими вальцами на их поверхности имеются бандаоюи с укрепленными на них кулачками (рис. 9.2). Каждый бандаж состоит из 2—3 частей, соединяе-
Рис. 9.2. Прицепной кулачковый каток:
/ — венец; 2— ящик для балласта; 3 — прицепное устройство, 4 — упор; 5 —рама; 6 —
скребки
мых болтами. Кулачки размещают на поверхности катка в шахматном порядке.
В начале работы кулачки полностью погружаются в грунт, в связи с чем в контакт с его поверхностью может входить и валец катка. При погружении кулачков под каждым из них образуется уплотненное ядро, как бы упирающееся в плотное основание. Так как на поверхности вальца имеется много кулачков (20—25 шт. на 1 м2), после прохода катка по поверхности грунта на нем остается соответствующее число «ядер», расположенных в шахматном порядке.
При последующих проходах катка грунт уплотняется в промежутках между ядрами. При каждом проходе кулачки погружаются в грунт на меньшую глубину, и между поверхностью грунтового слоя и вальцем катка образуется увеличивающийся просвет, указывающий на уплотнение укатываемого слоя. Характерные1*углубления, создаваемые кулачками по поверхности грунта, способствуют сдавливанию укатываемых слоев в единый массив и повышают качество его уплотнения.
Основными параметрами кулачковых катков являются общая масса катка, его геометрические размеры, а также длина и размеры контактной поверхности кулачков. Практика показала, что наи-ботее эффективны кулачки длиной не более 25—30 см. При большей их длине разрыхляется поверхностный слой. Существенно влияет на эффективность уплотнения также форма кулачков, которую выбирают из условия минимального разрыхления при выходе из грунта. В зависимости от формы кулачки можно разделить на два типа — реверсивные (симметричные) и нереверсивные (асимметричные) (рис. 9.3). Реверсивные кулачки работают одинаково при перекатывании вальцев в обе стороны. Нереверсивные кулачки создают неравномерное давление на грунт и действуют они при движении катка только в рабочем направлении.
Соотношение между длиной кулачка и диаметром вальца определяют по выражению
5    6    7    8
Рис. 9.3. Основные типы кулачков: 1, 2 — нереверсивные; 3—8 — реверсивные
D=(5,5 + 7,0)lK,    (9.5) где D — диаметр вальца; /к — длина кулачка. Если допустить, что в грунт внедряется один ряд кулачков, массу катка можно определить по контактному давлению m=a0FnJg,    (9.6) где F — опорная поверхность кулачка; пк — число кулачков в ряду на образующей вальца; сг0— расчетное контактное давление. Прицепные кулачковые катки используют как одиночные, так и в сцепе нескольких. При сцепе из двух катков иногда первым устанавливают кулачковый, а вторым гладкий. Для достижения необходимого уплотнения грунта кулачковые катки перемещаются по одному месту обычно до шести — восьми раз. Кулачковыми катками уплотняют только связные грунты. Для уплотнения как связных, так и несвязных грунтов используют катки на пневматических шинах, имеющие несколько колес, установленных в один ряд (рис. 9.4). Подвески колес предусматривают жесткие и независимые. У катков с жесткой подвеской ось колес укрепляют на продольных балках рамы, которую размещают обычно над колесами. На раме устанавливают кузов для балласта. Основной недостаток катков такой конструкции—перегрузка отдельных колес при движении катков по неровной поверхности. В результате укатываемая полоса неравномерно уплотняется по ширине, а отдельные элементы катка перегружаются. Этих недостатков не имеют катки с независимой подвеской колес (рис. 9.5), при которой каждое колесо может перемеща гься в вертикальной плоскости независимо от остальных. Каждая секция таких катков жестко связана с балласт- Рис. 9.4. Прицепной каток пневматических шинах с независимой подвеской колес: 1 — запасное колесо; 2 — балластные блоки; 3 — рама катка; 4 — дышло; 5—колеса ным ящиком или платформой. Балластом могут служить грунт или бетонные блоки. Контактные давления на поверхности грунта, а следовательно, и характер напряженного состояния под колесами определяются размерами шин, давлением воздуха в них рш и нагрузкой на колесо Р. Эти параметры и являются главными. Рис. 9.5. Принципиальная схема независимой подвески колес прицепного катка на пневматических шинах
Пневматические шины имеют сравнительно небольшую ширину, поэтому при уплотнении грунт под ними отжимается в сторону. Воспрепятствовать отжатию может боковая пригрузка, которую создают соседние колеса, причем тем эффективнее, чем будет меньшим зазор между ними. Поэтому колеса нужно ставить ближе друг к ДРУГУ- Однако при слишком частом расположении колес увеличивается их число при постоянной ширине полосы уплотнения. Это, в свою очередь, снижает нагрузку на каждое колесо или повышает общую массу катка, что также нежелательно. Опыт эксплуатации катков с пневматическими шинами показывает, что наиболее эффективным является зазор, значение которого можно вычислить с помощью эмпирического выражения в зависимости от ширины шины 1Ш = (0,4-!- 0,6) Ьш,    (9.7) где /ш — зазор между шинами; Ьт — ширина профиля шины. Зная массу катка, число колес и давление в шинах, можно вычислить глубину активной зоны с приемлемой для практики точностью по выражению ha = Q;2(WIW0)V~P,^    (9-8) где Р — нагрузка на колесо Н (кг); рш — давление воздуха в шинах, кг/см2; 0,2 — множитель, учитывающий жесткость шины. Катки на пневматических шинах в отличие от катков с жесткими вальцами можно транспортировать с объекта на объект своим ходом. Сила тяги, необходимая для перемещения машин статического действия по поверхности уплотняемого грунта, должна быть достаточной для преодоления сопротивлений, возникающих при работе. Коэффициент сопротивления перекатыванию принимают: &п = = 0,15-^0,20 для гладких катков; /гп = 0,20—0,22 для катков на пневмошинах; &п = 0,25-^0,30 для кулачковых катков. При одинаковых массах катков различных типов наибольшие тяговые усилия требуются для перемещения кулачковых катков. По мере уплотнения 1рунтов коэффициенты сопротивления движению катков несколько выравниваются, снижаясь до значений kn = 0,06-^0,08. § 9.3. Машины динамического действия Основным недостатком катков статического действия является их большая масса, потребная для нормальной работы. Эту массу можно значительно снизить при том же уплотняющем эффекте, если рабочие органы машин выполнить вибрирующими. Рис. 9 6 Прицепной вибрационный каток:
Вибрационные катки выполняют прицепными и самоходными. Чаще всего в виброкатках применяют центробежные вибровозбудители с круговой вынуждающей силой. Их приводят в действие от двигателя внутреннего сгорания самоходного катка или специально устанойленного на раме прицепного катка двигателя привода возбудителя. Односекционный (т. е. с одним вальцом на оси) прицепной виброкаток и его кинематическая схема показаны на рис. 9.6. У самоходных виброкатков вибрирующими выполняют обычно ведущие вальцы. Металлоемкость виброкатков в 3—4 раза меньшая, чем катков статического действия. При этом нужное уплотнение слоя грунта достигается меньшим числом проходов, так как виброкатки наряду со статическим оказывают на грунт и вибрационное воздействие. 1 — двигатель, 2 — муфта сцепления, 3— клиноременная передача, 4 — венец, 5 — дебаланс
Сущность его заключается в том, что периодические возмущения, передаваемые от вибратора в грунт рабочим органом, интенсифицируют перестройку сложившейся структуры грунта, в результате чего получается более плотная упаковка грунтовых частиц. Максимальное контактное давление ст макс вибрирующего вальца на грунт равно примерно половине максимального статического контактного давления, вычисленного с помощью (9.1). Однако линейное давление р, входящее в него, нужно определять с учетом действия вынуждающей и инерционных сил: Рис. 9.7. Виброплита 1 — клиноременная передача, 2 — двигатель, 3 — уплотняющая плита, 4 —- дебалансы
амакс ~ 0,5 омакс. (9.9) Оптимальную скорость движения виброкатка, км/ч, при которой обеспечивается необходимая для уплотнения повторность приложения нагрузки, рекомендуется определять для связных грунтов яо формуле г>=0,2 У п,    (9.10) где п — частота колебаний, Гц. Для уплотнения несвязных грунтов и гравийно-песчаных материалов в стесненных или недоступных для других машин местах применяют вибрационные плиты. Кроме плит в комплект оборудования входят вибратор, двигатель, система подвески и механизм управления. Для привода вибраторов на вибрационных плитах чаще всего используют двигатели внутреннего сгорания — дизельные или карбюраторные. По принципиальной схеме эти устройства могут быть одно- и двухмассными. В первом случае вибратор и двигатель установлены непосредственно на плите. Во втором случае на плите монтируют лишь вибратор, а двигатель устанавливают на специальную раму, соединенную с плитой упругими элементами (рис. 9.7). В этом случае в колебательное движение приводится лишь нижняя часть, тогда как верхняя, подрессоренная, не колеблется, но воздействует на грунт общей массой статического давления. К основным параметрам виброплит относят геометрические размеры опорной плиты I и Ь, массу машины т, вынуждающую силу Р, развиваемую вибратором, частоту колебаний и мощность двигателя. Опорные плиты изготовляют литыми или сварными и для повышения жесткости оснащают ребрами. Опорные плиты могут иметь прямоугольную и тарельчатую форму с глпдкой, волнистой я вогнутой поверхностью. Длину плиты I находят из соотношения /=гтгп/яп р(о, (9.11)
где v — скорость передвижения; лпр — число проходов; со — угловая скорость вращения дебалансов, и = 2яп; п — частота колебаний плит, Гц; дп — число повторностей приложения нагрузки, необходимое для уплотнения грунта до требуемой плотности. Для обеспечения требуемого уплотнения и удобства обслуживающего машину оператора, скорость передвижения виброплиты v назначают не более 0,25—0,33 м/с, а число проходов яЛр=3-^5. В зависимости от массы плиты частота колебаний может меняться в пределах от 20 до 60 Гц. Обычно па принимают равным 1,5- 102Ч-4-102. Нижний предел относится к пескам оптимальной влажности, верхний — к супесчаным грунтам. Рис. 9 8. Принципиальная схема самодвижения виброплиты
Ширина контактной площадки виброплиты b должна быть на 5—15% меньше длины /. Зная геометрические характеристики контактной площадки, возможно определить массу машины m = obl/g,    (9.12) где а — требуемое давление на грунт. Для влажных песков а= = 3^-4 Па, для песков средней влажности 0=6-^ 10 Па, для супесчаных грунтов — 10—20 Па. В зависимости от массы вибрационные плиты разделяют на легкие —до 500 кг, средние — 500—1500 кг и тяжелые — более 1500 кг. Более часто в строительстве применяют легкие виброплиты. Колебания виброплит могут быть круговыми или направленными, причем вынуждающая сила в случае направленных колебаний бывает направлена вертикально или под некоторым углом к горизонту. В последнем случае появляется горизонтальная составляющая Р вынуждающей силы, под действием которой виброплита может передвигаться сама. Конструкция вибровозбудителя обеспечивает возможность на ходу изменять направление вынуждающей силы с целью реверсирования движения, а иногда позволяет изменять скорость самопередвижения или интенсивность вертикальных колебании (рис. 9.8). Сила тяги самопередвигающейся плиты равна горизонтальной составляющей вынуждающей силы: Р=Рг CO'S a sin ю/,    (9.13) где Рj — амплитудное значение вынуждающей силы; со — угловая скорость дебаланса; а — угол наклона вынуждающей силы к горизонту. Pl = 2P0=2mim2r, где Р0 — амплитуда вынуждающей силы одного дебаланса; тя — его масса; г — радиус вращения центра масс дебаланса. (9.14)
Самопередвижение плиты возможно в том случае, когда Р>РС,    (9.15) где Pc = kG — сопротивление перемещению плиты; G — сила тяжести машины; k=0,5-ь0,6 — коэффициент сопротивления перемещению плиты. Самопередвигающиеся виброплиты наиболее распространены, но кроме них используют ручные плиты, прицепные и переставляемые краном. Многосекционные виброуплотнители представляют собой виброплиты, устанавливаемые в один или два ряда на самоходное шасси. Иногда многосекционные виброуплотнители применяют в качестве сменного оборудования к автогрейдерам, каткам статического действия и другим машинам. Для подъема и опускания плит используют гидравлическую систему. Характер колебаний рабочего органа вибрационной машины сависит от частоты приложения вынуждающей силы, свойств грунта и соотношения между вынуждающей силой и массой рабочего органа. Если амплитудное значение вертикальной составляющей вынуждающей силы вибратора намного меньше силы тяжести рабочего органа, колебания последнего носят гармонический характер. Воздействия на грунт в этом случае будут чисто вибрационными, т. е. периодические нагружения и разгрузки грунта будут чередоваться с частотой приложения вынуждающей силы. При этом контакт между грунтом и рабочим органом нарушаться не будет. Такой режим возможен лишь при малых значениях амплитуд колебаний, так как только тогда грунт может рассматриваться как упругое тело. Однако малым амплитудам колебаний рабочего органа соответствуют малые значения вынуждающей силы, а следовательно, и малые значения контактных давлений. Для увеличения же контактных давлений до технологически необходимых требуется увеличивать вынуждающую силу, а следовательно, и амплитуду колебаний рабочего органа. В результате увеличивается амплитуда деформаций грунта. По мере роста этих деформаций и вызванных ими структурных изменений, связанных с уплотнением, режим колебаний грунта отклоняется от упругого, причем тем сильнее, чем значительнее деформации. Это приводит к отставанию деформации грунта от соответствующих движений рабочего органа, вследствие чего колебания последнего совершаются с отрывом от хплотняемой поверхности. Такие колебания характеризуются периодическими ударами рабочего органа о поверхность грунта и называются ударными. Именно в этом режиме работают вибрационные машины, применяемые в настоящее время в строительстве. Иногда применяют машины, рабочие органы которых работают в безотрывном режиме. В этих случаях грунт уплотняют, например, ударами бойка по наковальне, расположенной на плите. Такие машины, построенные на основе динамических систем, движение которых сопровождается ударным взаимодействием составляющих элементов, называют виброударными. Одна из принципиальных схем подобной машины показана на рис. 9.9. Вибрационные и виброударные машины характеризуются сравнительно большой частотой приложения нагрузок, вызывающих тиксотропные изменения в грунте, которые уменьшают сопротивление сдвигу и способствуют перестройке его структуры для оптимального уплотнения грунта. Рис. 9.9. Виброударная плита:
Эти машины следует отличать от машин ударного действия, при работе которых пассивный рабочий орган в виде плиты или молота периодически соударяется с поверхностью грунта. Во время удара кинетическая энергия рабочего органа полностью или частично передается уплотняемому массиву и в значительной части расходуется на развитие необратимой деформации, т. е. на уплотнение грунта. Частота ударов сравнительно невелика — она обычно не превышает десяти в 1 с. При такой частоте тиксотропные изменения в грунте практически не происходят, однако в паузах между отдельными ударами грунт успевает разгрузиться, что усиливает эффект последующего удара. 1 — вибровозбудитель; 2 — плита; 3 — боек; 4 — наковальня
Машины ударного действия называют также трамбующи-м и. Их применяют для уплотнения связных и несвязных грунтов, грунтов в естественном залегании и мерзлых, в условиях зимнего строительства. Трамбующими машинами можно уплотнять грунты в слоях до 80 см, что очень важно при возведении насыпей, плотин, дамб и других сооружений. К основным параметрам машин ударного действия относят массу рабочего органа, скорость в момент начала его удара, а также размеры контактной поверхности в плане. Масса ударной части рабочего органа трамбующей машины в процессе удара за конечный промежуток времени Г=0,01-^0,1 с изменяет скорость от некоторого начального значения Vi до конечного v% Вследствие изменения этой скорости изменяется реакция грунта Ртр. Взаимосвязь между этими величинами устанавливают с помощью известного из механики соотношения между изменением количества движения и импульсом силы: Если принять, что нарастание реакции грунта в процессе удара зависит от времени линейно, максимальное значение контактного давления можно найти по формуле °макс =kmvJTF,    (9.17) где Т — продолжительность удара, т. е. время, за которое кинетическая энергия рабочего органа переходит в другие виды энергии; к — эмпирический безразмерный коэффициент, учитывающий неодновременность достижения максимального давления и нулевой скорости ударной массы. По данным Н. Я. Хархуты, к— 1-^2; F — площадь контактной поверхности рабочего органа. Подъем Падение Рис. 9.10. Кривошипно-полиспастныи механизм подъема и сбрасывания плит:
В момент удара скорость рабочего органа может быть равна скорости его свободного падения или превышать ее вследствие работы соответствующего механизма. Например, в пневматических молотах ударная часть за счет сжатого воздуха получает дополнительное ускорение. Из многообразия возможных конструкций наиболее распространены машины, рабочими органами которых являются периодически поднимаемые и сбрасываемые грузы. Эти машины разделяются по характеру привода ударной части на машины с механическим приводом и такие, в которых рабочий орган поднимают сжатым воздухом или продуктами взрыва горючей смеси (пневмо- и взрывотрамбовки). -нижняя мертвая точка; в. м. т — то же, верхняя
н. м. т.
Чаще всего используют машины с канатным механическим приводом. К ним относят трамбующие плиты, поднимаемые и сбрасываемые кранами или экскаваторами. Поднимать и сбрасывать плиты, масса которых обычно находится в пределах 2—5 т, можно по направляющим и без них. При этом используют подъемную лебедку, растормаживание которой приводит к свободному падению трамбующей плиты. Работа этих устройств связана с большими динамическими нагрузками, которые преждевременно выводят из строя такие дорогостоящие и сложные машины, как краны и экскаваторы. Поэтому трамбующие плиты на кранах и экскаваторах применяют главным образом в стесненных условиях, когда использовать другие уплотняющие машины невозможно. Динамические нагрузки на элементы конструкций базовой машины можно значительно уменьшить, если вместо подъема лебедкой поднимать трамбующие плиты с помощью механизма криво-шипно-полиспастного типа (рис. 9.10). Общий вид трамбовочной машины с кривошипно-полиспастным механизмом подъема и сбрасывания трамбующих плит показан на рис. 9.11. Рабочими органами этой машины служат массивные плиты, устанавливаемые в один ряд позади трактора. Эти плиты поднимают и опускают по трубчатым направляющим. При проходе по грунту такой машины остается уплотненная полоса, ширина которой равна примерно ширине Рис. 9.11. Трамбующая машина: / — трамбующие плиты, 2 — направляющие, 3 — кривошипно-полиспастный механизм
гусеничного хода трактора, а глубина уплотнения может достигать 1,2 м. Плиты изготовляют из чугуна. Производительность средств уплотнения грунта, т. е. площадь, прорабатываемую той или иной машиной в единицу времени, можно определить по общей формуле (Ь — с) v
П--
(9.18)
где Ь — ширина рабочего органа машины; с — ширина перекрытия уплотняемых полос; v ■—рабочая скорость движения рабочего органа (машины); япр — число проходов по одному участку; — коэффициент использования по времени (&в = 0,8-^0,9). ГЛАВА 10 МАШИНЫ ДЛЯ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ РАБОТ До возведения земляных сооружений их трассы или площадки должны быть подготовлены для развертывания на них строительных работ. К подготовительным работам относятся: расчистка территории или полосы от леса и кустарника; удаление пней, корней, крупных камней, а иногда растительного слоя; предварительное рыхление тяжелых глин, суглинков и каменистых грунтов, которые неэффективно разрабатывать землеройными машинами. Для выполнения этих ^абот применяют специальные машины: кусторезы, корчеватели-собиратели и рыхлители. § 10.1. Кусторезы Кусторезы предназначены для срезания кустарника и мелколесья на уровне земли при расчистке земельных участков большой площади или протяженности. Максимальный диаметр срезаемых деревьев — 20—40 см. По типу рабочего органа кусторезы классифицируют: на ножевые и фрезерные, по виду управления рабочим оборудованием — с гидравлическим и канатным управлением. Наиболее распространены ножевые двухотвальные кусторезы с прямыми и пилообразными ножами и гидравлическим управлением. Кусторез (рис. 10.1) состоит из базовой машины, отвала с ножами, толкающей рамы и системы управления. Сварная толкающая рама коробчатого сечения упряжными шарнирами соединена с пальцами рамы гусеничных тележек трактора. С отвалом эта рама соединена шаровым шарниром и двумя пружинными амортизаторами, с помощью которых отвал может изменять положение относительно толкающей рамы, приспосабливаясь к рельефу местности. Рабочим органом кустореза является клинообразный отвал; он состоит из треугольной рамы с каркасом, закрытым с боков двумя вертикальными листами, а сверху и снизу — двумя наклонными.
Рис 10 1. Конструктивная схема кустореза.
Носовая часть отвала заканчивается клыком, который предназначен для раскалывания пней и разрезания стволов, лежащих поперек пути. / — базовая машина; 2 — ограждение трактора; 3 — гидроцилиндр подъема рабочего органа; 4 — универсальная толкающая рама, 5 — съемная шаровая головка, 6 — рабочий орган
Кабина машиниста, двигатель и гидропривод предохранены от падающих деревьев ограждением, выполненным из стальных труб. Подъем и опускание отвала производятся с помощью гидроцилин-Дров. В процессе работы кустореза отвал, опущенный на поверхность земли, скользит по ней, срезая деревья и кустарник по полосе, равной ширине захвата отвала. Со стороны дерева на рабочий орган в точке касания лезвия ножа действует реактивная сила./? (рис. 10.2), равная по величине и противоположная по направлению тяговому усилию трактора Рт. Рис. 10 2. Схемы к расчету кустореза: 1 — нож; 2—шаровая головка; 3 — универсальная толкающая рама, 4 — срезаемое дерево
Силу R можно разложить на составляющие PCK=R sin ау; Pp=R cosay, (10.1) где ау — половина угла установки ножей в плане; обычно ау=30°. Сила РСк, перпендикулярная лезвию ножа, скалывает дерево, сила Рр действует вдоль лезвия ножа и перерезает его. Перемещению ножа относительно дерева под действием силы Рр противодействует сила трения ^тР=^с Л,    (10.2; где ]ii — коэффициент трения ножа о древесину; jlxi = 0,25. Очевидно, что при работе кустореза должно соблюдаться неравенство Рр>Ртр, в противном случае нож завязнет в древесине. Суммарный момент сил, стремящийся повернуть кусторез относительно его центра тяжести, равен ^HOB=/Vl-(^p + ^Tp)/2,    (10.3) где U и /2 — соответственно длина плеч. Суммарный момент сил сцепления гусениц с грунтом, удерживающий кусторез от поворота, Жу^(Ом/2)?сц£0,    (10.4) где 0Л1 — масса кустореза; фсц — коэффициент сцепления гусениц трактора с грунтом. При Му>МПОв обеспечивается прямолинейность движения трактора. За расчетное тяговое усилие Рт при расчетах на прочность принимают максимальную силу тяги по сцеплению Рт сц с учетом коэффициента динамичности кА, равного 1,5—2,0. рт=ят.сЛ-    (Ю.*) Из уравнения моментов сил относительно точки крепления толкающей рамы к раме гусеничной тележки (точки О) определяют _усилие, необходимое для подъема отвала Яц=(0р/з + 00^4)//Б,    (10.6) где Gp — масса рамы; 13, /4 и k — соответственно длина плеч; Со+к — масса отвала с дерном и кустарником. Массу (вес) кустарника и дерна можно определять по максимальному объему материала, набираемого перед отвалом по формуле, аналогичной (8.6). Производительность кустореза, м3/ч, определяют по формуле /7Э= [ 1000 B3v р1б (&в+га^/бО^/я,    (10.7) аде В3 — ширина захвата; п\ — число поворотов в конце участка; ii — время на один поворот; п — число проходов по одному месту. § 10.2. Корчеватели Эти машины предназначены для корчевки и уборки пней диаметром до 50 см, расчистки участков от камней, корней, удаления сваленных деревьев и срезанного кустарника. Ими можно также рыхлить грунт. Корчеватель, являющийся навесным оборудованием к трактору, представляет собой решетчатый отвал с зубьями. Рабочее оборудование корчевателя устанавливают на универсальной раме, укрепленной на гусеничных тележках трактора (рис. 10.3). На раме можно монтировать рабочее оборудование различных машин (бульдозеров, кусторезов, погрузчиков). Рабочее оборудование корчевателя приводится в действие гидроприводом. Для удаления выкорчеванного кустарника, пней и камней применяются корчеватели-собиратели с отвалами, имеющие мелкие зубья. Сплошную корчевку пней с отряхиванием растительного-грунта с выкорчеванных пней или корневой системы можно вести корчевателями с рабочими органами роторного типа, применяемыми в мелиоративном строительстве. Сопротивление, возникающее при работе корчевателя, определяют по формуле Рис. 10 3 Конструктивная схема корчевателя:
W=Wl + W2-\-W* (10.8) где W j — сопротивление движению машины (см. § 5.7); W2 — то же, грунта рыхлению; W3 — то же, перемещению кустарника, пней, деревьев, камня по грунту. 1 — базовая машина, 2— гидроципиндр подъема рабочего органа; 3 — зубья; 4—огвал; 5 — универсальная толкающая рама
Сопротивление грунта рыхлению W2={0,75-0,8)k'pBphpknen,    (10.9) где kp —удельное сопротивление грунта рыхлению, для дернового покрова и грунтов без корней &p'=10-f-25 кПа; для грунтов са значительным содержанием камня, корней /гр'=60-И00 кПа; Вр— ширина рыхления; Лр — его глубина; кнеп — коэффициент неполноты рыхления, учитывающий уменьшение затрат энергии вследствие того, что часть грунта остается неразрыхленной. Сопротивление волочению кустарника, корней и камней т=ок/л,    (10Л0) где GK — масса (вес) кустарника, пней, корней, камней, перемещаемых отвалом; /к — коэффициент сопротивления перемещению корней, пней, камней, /к=0,6-^0,7; k0' — коэффициент, учитывающий одновременную корчевку нескольких пней или камней, k0’= = 1,34-1,5. Корчеватель может работать при условии, что номинальная сила тяги больше суммы сопротивлений, возникающих при работе. При расчете навесного оборудования на прочность за исходную величину принимают расчетную толкающую силу, которую определяют по формуле, аналогичной (10.5). При расчете зубьев корчевателя принимают, что максимальная сила приложена на конце зуба. Убирать камни корчевателем можно различными способами: 1) толкающим усилием, развиваемым базовой машиной, при котором на зуб действует реакция РТ = РК (рис. 10.4, а); 2) подъемным усилием, создаваемым гидроцилиндром (рис. 10.4, б). При этом на зуб действует сила Ра=О^Ы9)кт,    (10.11) Рис. 10.4. Схемы нагрузок на рабочее оборудование корчевателя при уборке камней: а — перемещением машины; 6—подъемом отвала где GKaM — масса камня; li0 и /9 соответственно длина плеч; k0T — коэффициент сопротивления камня отрыву, &0т = 1,25^-1,30. Камни убирают также одновременным толканием базовой машины и подъемным усилием гидроцилиндра. При этом на зуб действуют силы Рк и Рн. В последнем случае зуб наиболее нагружен. Изгибающий момент от действующих сил в сечении /—/ (рис. 10.4, б) будет равен:    (Р ^изг=^У8+ЛА,    (10.12) где k — длина плеча. Усилие подъема рабочего оборудования Рц и сжимающее усилие в подкосе Рдод можно определять по схеме, показанной на рис. 10.4, а. Для корчевателей, смонтированных на тракторах, максимальное усилие Рцмакс проверяют по условию устойчивости трактора при опрокидывании его вокруг точки А (рис. 10.4, а) под действием этого усилия: ^цмаксСЛг    (Ю.13) Максимальное значение Рц определяют следующим образом. Исходя из равновесия сил, действующих на систему трактор — рабочее оборудование при опрокидывании трактора вокруг точки А, составляют уравнение моментов сил относительно этой точки и находят значение силы Ps', необходимой для удержания отвала в неподвижном положении: р'_— Go [h — (h + ^5)]    /-]q 14ч h— (h +h) (размеры U_—/5 показаны на рис. 10.4, а). Далее, рассматривая равновесие сил, действующих на рабочее оборудование, составляют уравнение моментов относительно точки О и находят значение Рц, при котором трактор может опрокинуться: яц=(р'Л+яка+с?0/2)//7>    (ю.15) где 17 — длина плеча. § 10.3. Рыхлители Рыхлители применяют для послойного рыхления грунта и некоторых горных пород на отдельные куски или гЛыбы с размерами, удобными для погрузки или последующей разработки. С помощью рыхлителей можно удалять из грунта крупные камни, взламывать различные покрытия и разрабатывать мерзлый грунт. Рыхлить грунт механическим способом обычно экономически выгоднее, чем буровзрывным. Рабочим органом рыхлителя являются стойки-зубья, погружаемые в грунт и рыхлящие его при движении машины. До недавнею времени эти машины выпускали только прицепными. Они имеют большую массу, облегчающую внедрение зубьев в грунт, но мало-маневренны и малопроизводительны — могут работать с базовыми тягачами без дополнительных видов рабочего оборудования. В последние годы выпускают только навесные рыхлители, свободные от указанных недостатков. Их масса передается на базовый трактор, чем увеличивается тяговое усилие его по сцеплению. Эти рыхлители имеют большую маневренность; их можно агрега-тировать с бульдозерным или погрузочным оборудованием, что повышает универсальность машины. Рыхлители можно навешивать на трактора различных классов, чем обеспечивается выполнение разнообразных работ. Глубина рыхления изменяется в пределах 0,4—1,0 м, иногда даже до 1,5 м. Навесные рыхлители соединяют с базовой машиной по трехзвенной или четырехзвенной схеме подвески. Разновидностью четырех-эвенной подвески является параллелограммная. Трехзвенная подвеска (рис. 10.5, а) отличается простотой конструкции и малой металлоемкостью. Вместе с тем существенный недостаток ее — зависимость угла резания зубьев от их заглубления; он изменяется от максимального в начале заглубления до минимального на полной глубине рыхления. Четырехзвенная подвеска рыхлителя (рис. 10.5, б), хотя и более металлоемка, но применяют ее чаще, так как угол резания остается почти постоянным, что увеличивает срок службы нако-кечников рабочих органов. Существенным преимуществом такой подвески является и то, что рабочий орган при опускании на грунт отодвигается от базового тягача, вследствие чего исключается заклинивание кусков породы между рабочим органом и гусеницами трактора. Четырехзвенная подвеска позволяет разрушать грунт при подъеме рабочего органа, что невозможно при подвеске трех-.звенной. а)    д)
Рис. 10.5. Конструктивные схемы навесных рыхлителей: <£z — трехзвенного; б — четырехзвенного; 1 — наконечник; 2 —стопорное устройство, 3 — стойка; 4 — флюгер; 5 —балка; 6 — рабочая балка; 7 — нижняя тяга; 5 —верхняя тяга; 9—гидроцилиндр; Л? — опорная рама Рабочее оборудование крепят к раме базового трактора или к корпусу его заднего моста. Крепление к балкам гусеничных тележек менее рационально из-за повышенной металлоемкости, увеличения габаритов машины, усложнения обслуживания ходовой части и из-за плохого прохождения комьев разрушенного грунта или породы под охватывающей рамой. В зависимости от назначения рыхлителя и вида выполняемых работ число зубьев может быть от одного до пяти. На тяжелых работах при рыхлении горных пород и мерзлых грунтов применяются однозубые рыхлители; для рыхления обычных тяжелых грунтов можно применять пятизубые рыхлители. Зубья выполняют прямыми или изогнутыми и обычно снабжают съемными наконечниками. Подъем и заглубление рабочего органа производятся гидроцилиндрами. Основными параметрами рыхлителя являются: наибольшее тяговое усилие базовой машины по сцеплению Рт.сш наибольшая глубина рыхления hv, число зубьев z, ширина наконечника стойки Ьп, угол резания а, расстояние /р от низшей точки рамы до опорной поверхности машины при максимальной глубине рыхления ftp, расстояние /н от наконечника зуба в крайнем нижнем положении до оси ведущей звездочки трактора. Главным параметром, определяющим работу рыхлителя, является номинальное тяговое усилие базовой машины (трактора) по сцеплению; его определяют на плотном грунте при скорости 2,5— 3,0 км/ч и буксовании не более 7%. Для увеличения тягового усилия трактора при рыхлении очень плотных, мерзлых и скальных грунтов на траки устанавливают специальные грунтозацепы, позволяющие полностью реализовать мощность двигателя по сцеплению. Максимальную глубину рыхления, зависящую от класса базового трактора, выбирают в соответствии с данными табл. 10.1. Таблица 10.1 Параметры и показатели навесных рыхлителей в зависимости от класса тракторов Параметры Номинальное гяговое усилие базового трактора, кН Количество зубьев Вылет от оси подвески 1а, ММ Наибольшая глубина рыхления от опорной поверхности йр, мм 600—1000 1—5 700- 1400 400—1000 800—1500 500—1200 1000—1900 600—1500 По данным ВНИИстройдормаша, оптимальную глубину рыхления грунта определяют из отношения АР.оЯ=3,5-ь4>0.    (10.16) Параметры рыхления следует определять исходя из этих оптимальных условий. Наименьшая глубина рыхления за один проход должна на 20—30% превышать толщину стружки бульдозера или скрепера, в комплекте с которым работает рыхлитель. Зубья рыхлителя размещают симметрично относительно продольной оси машины. Угол резания а выбирают исходя из условий обеспечения прочности наконечника рыхлителя и оптимального заднего угла у: при небольшом опускании зубьев рекомендуется принимать не менее 45° при заднем угле не менее 8°. Расстояние /р должно быть таким, чтобы рама рыхлителя свободно проходила над разрыхленным грунтом при любой глубине рыхления. Для тракторов с тяговым усилием до 100 кН включительно это расстояние составляет не менее (0,654-0,75) /гр чакс, с усилием больше 100 кН— (0,334-0,60) /гр ыаКс- Минимальное расстояние /НМин назначают из условия свободного выпирания грунта перед зубом и для того, чтобы исключить заклинивание его под гусеницами. В зависимости от класса трактора /нмпн= (1,'5-4-2,0) Zip макс. Высоту подъема зубьев определяют из условия обеспечения заднего угла въезда рв, который должен быть не менее 20°. В процессе рыхления скального и мерзлого грунтов периодически изменяются силы сопротивления рыхлению, причем нагрузки снижаются в момент отделения крупных кусков грунта от массива. После рыхления мерзлого грунта наконечник рыхлителя образует прорезь характерного сечения (рис. 10.6): верхняя ее часть значительно шире наконечника, а нижняя соответствует форме его передней части. t°C
0,1 о Л 0,6
Рис. 10.6. Характерная форма поперечного сечения реза при рыхлении (а) и распределение температур грунта по глубине для различных климатических зон (б): 1 — в Восточной Сибири, г. Нерчинск; 2 — то же, г. Якутск; 3 — в Западной Сибири (Новосибирск); 4— в северо-восточном Казахстане; 6— в Воркуте; 7— в Центральной части европейской территории СССР Верхняя трапециевидная зона прорези начинается несколько выше ее дна и имеет развал с наклоном стенок к горизонту, который зависит от физико-механических свойств грунта и глубины рыхления. В среднем, угол наклона равен 45°. Исследованиями ВНИИст ройдормаша установлен характер разрушения грунта в прорези. Верхняя ее часть имеет рваную поверхность без признаков пластических деформаций, что подтверждает предположение о преобладании растягивающих напряжений в этой зоне в момент предельно напряженного состояния грунта. В нижней части прорези уровень грунта снижается, и он уплотняется наконечником. Среднее значение горизонтальной составляющей сопротивления грунта рыхлению Рк определяют по формуле Лс=Лр3р+ 0,5kBIlbu [h — h),    (10.17) где Яр — глубина рыхления; h\ — глубина зоны развала грунта; Ья — ширина наконечника рыхлителя; ар — предел прочности грунта при растяжении; йВд— удельное сопротивление вдавливанию наконечника в грунт, £В1 = 2ЪР]/7У77,    (10.18) где Тi — средняя температура грунта в слое (h—hi); Т2 — то же, в слое /г. Значения Тг и Г2 определяют по графику (рис. 10.6, б). Вертикальную или нормальную составляющую сопротивления грунта рыхлению можно определить по усилию Рн=РкС tg («-}-?),    (10.19) где ф — угол трения грунта по материалу наконечника рыхлителя. 254 Усилие Рн при установившемся процессе рыхления и остром наконечнике зуба рыхлителя направлено в массив грунта, т. е. рабочий орган как бы затягивается в грунт. При затуплении наконечника зуба и появлении площадки износа во время заглубления несущая способность грунта может оказаться больше усилия, прикладываемого к зубу. В этом случае Рн будет направлено вверх. Тяговое усилие базовой машины по сцеплению Рт.Сц должно быть больше или равно сумме сопротивлений IV, действующих на рабочий орган при разработке грунта: P,.ca>W.    (10.20) Величину тягового усилия по сцеплению Рт.сц можно определить по формуле P?.CIl=(G6 + G0 + G'0 ± Рн) Тсц,    (10.21) где Gб — масса трактора; G0 — бульдозерного оборудования; G0'— рыхлителя. При этом необходимо учитывать направление нормальной составляющей Рн. В случае затягивания зуба эта составляющая увеличивает сцепное усилие трактора, в случае выталкивания — уменьшает. Силами сопротивления перемещению разрыхленного грунта перед зубом можно пренебречь вследствие их незначительности. Поэтому сумма сопротивлений W будет равна: WMQ6 + G0+Go+/>H)(/± /) + />*,    (Ю.22) где G0' — масса рыхлителя; <рСц — коэффициент сцепления гусеничного движителя с грунтом [в (10.21)]; i — уклон местности. При встрече рабочего органа рыхлителя с трудно преодолимым препятствием могут возникнуть динамические нагрузки, в несколько раз превышающие тяговые усилия базовой машины. Эти нагрузки необходимо учитывать при расчете металлоконструкции навесного оборудования. Для определения максимальных динамических нагрузок Рт.д с достаточной для инженерных расчетов точностью можно пользоваться зависимостью Р,.^Рг,,К    (Ю.23) где &д — коэффициент динамичности. По данным ВНИИСтройдормаша, значение коэффициента динамичности возрастает от 1,5 до 3,6 при изменении скорости рыхления от 0,6 до 1,2 м/с. Максимальное усилие заглубления в грунт зуба рыхлителя определяют из условия вывешивания базового трактора относительно ребра Л (рис. 10.7, а). Из условия равновесия 2Ма=О можно записать Р’я= °^+0'0(1+12)-00Ц    (1(Х24) (размеры I, /ь l2,1з, U показаны на рис. 10.7, а). Усилие подъема зуба рыхлителя Рп определяют из условия опрокидывания базового трактора относительно ребра В при максимальной глубине рыхления (рис. 10,7, б). Условие равновесия обеспечивается уравнением 2МВ=0, откуда Яц = Рв=[С/0 (/ + /4) + Об/5-0^2]//3.    (10.25) Рис. 10.7. Схемы к расчету усилий на зубьях рыхлителя: а—при заглублении; б — при подъеме Реакции в шарнирах закрепления и усилия в стержнях навески можно определять исходя из следующих соображений. При заглублении зуба рыхлителя во всех расчетных положениях действуют сочетания нагрузок, показанные на рис. 10.8, а: тяговое усилие базовой машины Рт.сц, сила сопротивления грунта заглублению Рп' и сила тяжести рыхлителя G0'.
Рис. 10.8. Схемы к расчету усилий в стержнях рыхлителя-а при заглублении, б —- при потьеме При подъеме зубьев рыхлителя во всех расчетных положениях действуют следующие силы (рис. 10,8, б): тяговое усилие базовой машины Рт Сц, вертикальная составляющая сопротивления грунта рыхлению Рн и сила тяжести рыхлителя G</. При расчете принимают, что все составляющие сил сопротивления рыхлению приложены на конце зуба рыхлителя. Опорные реакции в шарнирах закрепления навесного оборудования и усилия в его стержнях определяют при подъеме и заглублении зуба на различной глубине рыхления, в том числе и в начале заглубления. Производительность рыхлителя в значительной степени зависит от прочности разрабатываемого грунта, организации и технологии работ. о;
Рис. 10 9. Технологические схемы работы рыхлителя:
Применяют две технологические схемы рыхления грунта: челночную (рис. 10.9,а) и продольно-поворотную (рис. 10.9, б). В первом случае грунт рыхлят параллельными проходами до края площадки без разворота. В исходное положение трактор возвращается задним ходом. Такую схему применяют при небольших размерах разрабатываемых площадок, когда разворот трактора затруднен или время разворота больше времени холостого хода. По второй схеме грунт рыхлят параллельными проходами с поворотом трактора в конце каждого хода. Такую схему применяют при большей протяженности участков рыхления, при которой относительная затрата времени на повороты минимальна. а — челночная; б — продольно-поворотная
Эксплуатационную производительность рыхлителя, м3/ч, определяют по формуле B3hpLp.xkB (10.26)
па
£р.х/1000ураб + *„ов/3600 где Ураб — скорость рабочего хода, км/ч; /гр — глубина рыхления; £р.х — длина рабочего хода в одну сторону; tnов — время одного разворота в конце участка с учетом выглубления зубьев; £Пов= = 15-4-20 с. Ширина захвата при рыхлении •53=^nep[^HAp-j-2Aptg3c-j-'S(Z — 1)],    (10.27) где./гпер — коэффициент перекрытия, £ПеР=0,75; Ьп — ширина зуба; Z — количество зубьев; р0 —угол скола по вертикали, рс= 15-4-45° (меньше при рыхлении мерзлых грунтов и скальных пород, больше при рыхлении талых грунтов); s— шаг зубьев. Расстояние между соседними полосами рыхления I следует выбирать такое, чтобы зубья рыхлителя не попадали в ранее полученные прорези. ГЛАВА 11 БУРОВЫЕ МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ Буровые машины предназначены для проходки скважин в грунтах. Скважины бурят при взрывной разработке мерзлых и плотных грунтов, для исследования физико-механических свойств грунтов, при водопонижении, бестраншейной прокладке подземных коммуникаций и т. п. В последние годы распространено бурение для устройства фундаментов из буронабивных свай и опор, которые часто позволяют в 10—15 раз сократить объемы земляных работ по сравнению с обычными фундаментами и в 2—4 раза снизить их трудоемкость. В зависимости от назначения скважины бурят различных диаметров (40—2000 мм) и длины (0,5—100 м). Наибольшие размеры обычно имеют скважины, предназначенные для прокладки труб под автомобильными и железными дорогами. Вследствие различия в размерах прокладываемых скважин, механических характеристиках разрабатываемых грунтов и в условиях работ буровое оборудование изготовляют самых разнообразных конструкций. § 11.1. Классификация оборудования -По назначению буровое оборудование подразделяют на буровые машины и станки, предназначенные для бурения скважин, и на устройства для бестраншейной прокладки труб. Буровыми машинами и станками можно бурить любые грунты, в том числе скальные и плотные; бестраншейным способом прокладывают трубы в грунтах I—III категорий. Разделение бурового оборудования на указанные группы объясняется существенными различиями в размерах и формах скважин, проходимых этими типами машин, а также различиями в технологии работ. Процесс бурения состоит из операций разрушения породы на дне скважины и удаления ее. Наиболее распространены механические способы разрушения грунтов, при которых от действия рабочего органа буровой машины создаются местные напряжения в грунте, превосходящие предел его прочности. Механическое разрушение грунтов можно производить ударным, вращательным и ударно-вращательным способами. Под ударным понимают такой способ бурения, при котором процесс разрушения породы в забое происходит при внедрении в нее инструмента со значительной начальной скоростью, т. е. с запасом кинетической энергии. Рабочий инструмент может свободно падать на дно скважины или погружаться в нее под действием специального органа ударника. Ударник, наносящий удары по рабочему инструменту, погружается в скважину вместе с ним или остается на поверхности грунта. При погружаемом ударном инструменте скорость бурения не зависит от глубины скважины. Во втором случае рабочий инструмент наращивают с углублением скважины, вследствие чего в ходе бурения изменяется соотношение между массой ударника и инструмента и в конечном счете уменьшается скорость бурения. При вращательном способе бурения грунт разрушается вследствие сжатия его давлением (осевым усилием) резцовой головки бура, режущая кромка которого внедряется в грунт под влиянием окружного (вращательного) усилия бура, уплотняющего грунт перед режущей кромкой и скалывающего (срезающего) его частицы. При бурении каждая точка режущей кромки совершает поступательное и вращательное движение и все деформации и разрушения происходят одновременно. При ударно-вращательном способе бурения вращающемуся инструменту периодически передаются ударные импульсы, направленные по его оси. Эффект разрушения при ударно-враща-тельном бурении получается больший, чем при разрушении грунта суммарным ударным и вращательным воздействием, что объясняется сложным динамическим взаимодействием грунта и инструмента. К механическим относят также способ образования скважины вдавливанием в нее рабочего инструмента путем сжатия поверхностного слоя. Применяют также гидравлические, термические и электрофизические способы бурения скважин. При гидравлическ ом способе бурения грунт разрыхляется или разрушается струей воды, подаваемой под давлением. В случае разработки мягких грунтов это давление сравнительно невелико. Для бурения плотных пород используют тонкую струю воды давлением до 1000 МПа. Недостатками гидромеханизированных установок для разработки мягких грунтов являются большой расход воды, небольшие скорости проходки, трудность разработки плотных глинистых грунтов. При проходке скважин под дорожными насыпями могут образовываться каверны, что не допускается техническими условиями. Способ термического бурения скважин основан на том, что высокотемпературная газовая струя, имеющая большую (нередко сверхзвуковую) скорость, быстро передает тепло породе, в результате под действием термических напряжений она разрушается. Один из основных недостатков термических буров состоит в том, что уровень возникающего при их работе шума значительно превышает допустимый. Электрофизические способы бурения в принципе весьма эффективны, однако их разработка еще не закончена, вследствие чего применяют их мало. При з в у ко вом способе бурения энергия колебания сердечника магнитос.трикционного вибратора передается по буровому инструменту, который эффективно разрушает горную породу. Электроимпульсный способ бурения основан на использовании энергии высоковольтных импульсов разрядов в жидкой среде. Возникающие во время разрядов гидравлические и кавитационные удары разрушают горную породу. При электр омагнитном способе бурения порода нагревается и разрушается под действием электромагнитных волн высокой частоты. Взрывной способ бурения скважин предназначен для проходки их главным образом в особо крепких породах, основан на взрывании в забое непрерывно поступающих по рабочему инструменту жидких взрывчатых веществ или поочередно подаваемых микрозарядов в ампулах. Рабочий инструмент при этом вращается вокруг продольной оси, покрывая все сечения скважины. Отделяющиеся при микровзрывах частицы породы выносятся из скважины газообразными продуктами взрыва. Очистка скважин от породы при всех способах ее разрушения может вестись непрерывно или циклично. В первом случае скважины очищают шнеками, скребками, продувкой сжатым воздухом, промывкой водой. При цикличной очистке часто применяют черпаки, ковши, желонки. § 11.2. Конструкции буровых установок Буровые установки разделяют собственный источник энергии, и Рис 11 1 Схема станка ударно-канатного бурения: 1, 13 — выносные опоры, 2 — силовая установ ка, 3 — балансир; 4—блок балансира, 5 — го ловнок блок, 6—канат, 7 — верттюг, 8 — замок, 9 — канат желонки; 10 — желонка, 11 — буровая штанга, 12 — буровой инструмент, 14 — шатун, 15 — балансирная шестерня, 16 — лебедка подъема желонки, 17 — подъемная лебедка, 18 — ходовое устройство на буровые машины, имеющие буровые станки, снабжаемые энергией от внешних источников. Их можно монтировать на автомобилях, тракторах, автоприцепах, некоторые же из установок не имеют ходового оборудования. Установки ударно-канатно-го бурения, являющиеся устаревшими конструкциями, вследствие простоты и надежности применяют и в настоящее время. Так, на строительстве БАМа используют станки УКС-ЗОМ, которые при массе бурового оборудования 2500 кг могут бурить скважины диаметром 920 мм и глубиной в десятки метров. Буровой инструмент и буровая штанга установок (рис. 11.1) подвешиваются к канату. Канат проходит через головные блоки, а также блоки, установленные на балансире, и лебедку. Балансир с помощью шатуна качается при вращении ба-лансирной шестерни Во время качания его передний конец периодически поднимается и опускается; соответственно этому опускается или поднимается и буровой инструмент. Высота падения инструмента равна амплитуде колебаний балансира, несколько увеличиваясь за счет упругости каната и эластичности посадки головного блока (часто его закрепляют на пружинах). Очищают скважины периодически с помощью желонки и стакана. Последний имеет обратный клапан и заполняется измельченным грунтом при погружении, желонку опускают в скважину вместо бурового инструмента после каждых 30—70 см проходки. Производительность установок ударно-канатного бурения, равная в среднем 1 м/ч, уменьшается с увеличением глубины скважины вследствие увеличения времени на замену бурового инструмента желонкой. Скорость проходки скважин можно определить, рассматривая работу А, затрачиваемую на бурение. Как известно, работа А, Дж, пропорциональна объему разрушенной породы q: A==k3q.    (11.1) Для работы станка в 1 с справедливо равенство {тА-\- тш,) gH,l0l{%=k3nUlKv6fi,    (11.2) где тл — масса долота, кг; тшт — то же, буровой штанги; Япод — высота подъема бурового инструмента из скважины, м; соб — частота ударов бурового инструмента в 1 с; DCK — диаметр скважины. Отсюда скорость бурения, м/с, «-л.    (11-3) Скорость проходки скважины можно выразить также через мощность двигателя станка NR. Так как секундная работа станка в кН-м численно равна его мощности, выраженной в кВт, то (отд+'ишт)£#110,(вб=ЛГдт1,,    (11.4) где г|д — КПД долбежного механизма. Тогда из выражения (11.2) получим NRr}p=k3nD2CKv6/4. .    (11-5) В конечном виде v6=4NAr\Jk3n,D2CK.    (П-6) Широко применяют в строительстве перфораторы, которыми можно бурить скважины малых диаметров, глубиной до 12—15 м в породах любой крепости. Перфораторы изготовляют ручные, колонковые и телескопические. Ручной перфоратор, имеющий массу до 20—25 кг, при работе удерживает руками один рабочий. Колонковыми перфораторами массой 85—100 кг можно бурить скважины в любых направлениях. При работе их закрепляют на вертикальных, наклонных или горизонтальных колонках, буровых каретках и других приспособлениях с помощью шарнирно-стержневых устройств-манипуляторов. Телескопические перфораторы, буровые части которых составляют одно целое с поддерживающими телескопическими стойками, имеют массу 30—50 кг. Применяют их в строительстве мало — в основном для бурения снизу вверх. Принцип устройства перфораторов всех типов одинаков. В цилиндре перфоратора помещен поршень-ударник Сжатый воздух, поступающий в цилиндр, автоматически подается то с одной, то с другой стороны поршня-ударника, который вследствие этого совершает частые возвратно-поступательные движения. В конце прямого движения поршень наносит удар по хвостовику буровой штанги. При обратном ходе поршень-ударник при помощи храпового механизма поворачивается на небольшой угол, поворачивая при этом сопряженную с ним буровую штангу. В результате каждый следующий удар наносится по иному месту буримого грунта и эффективность бурения повышается. Периодически сжатый воздух направляют не под поршень-ударник, а в продольный канал буровой штанги и бура Воздух при этом продувает и очищает скважину от продуктов бурения. Некоторые перфораторы имеют, кроме того, промывочное устройство, с помощью которого в скважину подается вода. Перфораторы снабжают устройствами, гасящими вибрации и глушащими шул. В строительстве в основном применяют ручные перфораторы, которыми можно бурить скважины глубиной до 3—4 м и диаметром 35—50 мм. В настоящее время увеличивается применение буровых установок, в которых удары по рабочему оборудованию наносят дизельные или вибрационные молоты. Эти молоты обычно используют как погружные, т. е. при бурении их опускают в скважину с продвижением забоя, чем обеспечивается постоянство соотношения соударяющихся масс. Буровым органом такой установки служит труба, на которой закреплены коронка и ножи. К верхней части трубы прикреплен шабот молота, по которому наносит удары его ударная часть. Очищают скважины непрерывно или периодически. Для этого в буровую трубу вставляют другую очистную. В образовавшийся между трубами кольцевой канал подают сжатый воздух, уносящий из скважины буровой шлам через очистную трубу. Такие установки применяют обычно для бурения шпуров в мерзлых грунтах со скоростью 0,2—0,3 м/мин. Несмотря на различие конструкции установок ударного бурения, принцип внедрения инструмента в породу у них один — динамический удар. Одинаковы и факторы, определяющие эффективность их работы: величина энергии удара и скорость движущихся масс в момент удара, частота ударов. Для станков ударно-канатного бурения основным способом повышения эффективности разрушения следует считать увеличение массы удар гых частей. У перфораторов эту массу нельзя увеличивать, поскольку есть предел увеличения массы всего перфоратора, главное направление здесь — повышение скорости движущихся масс в момент удара. При этом число ударов иногда доводят до 1800—2600 в минуту и более. Если же оно превышает 2000, эффект разрушения породы за один удар снижается, что может привести к снижению скорости бурения. Энергия удара существенно влияет на скорость бурения. Например, при ее увеличении в 1,5 раза скорость бурения возрастает примерно в 2 раза. Значительно влияет на эффект разрушения угол заточки инструмента. В тех случаях, когда он меньше угла, образующегося в породе скола, инструмент погружается глубоко, скалываемые частицы получаются более крупных размеров, и КПД бура повышается.
В установках вращательного (шарошечного) бурения рабочими буровыми органами являются шарошки, алмазные буры или разнообразные буровые коронки. Шарошечное долото (рис. 11.2) состоит из 3—4 лап, на консольных осях которых на роликовых или шариковых подшипниках смонтированы конусы-шарошки. На конусах имеется несколько рядов зубьев, разрушающих породу при вращении долота, укрепленного на штанге. Способ шарошечного бурения применяют для самых разнообразных пород, начиная с весьма крепких и мерзлых. Бурить скважины можно с продувкой сжатым воздухом, промывкой водой или воздушно-водяной смесью. Очищать же скважины можно одновременно с бурением или при его перерывах. Сжатый воздух для продувки подается через отверстие в шарошечном долоте. Продукты бурения выносятся из скважин под действием большой плотности восходящего потока воздуха. С увеличением подачи воздуха значительно увеличится скорость бурения, так как лучше очищается забой скважин. Расход воздуха примерно прямо пропорционален диаметру долота. Для свободного прохода частиц измельченной породы под действием воздушного потока необходимо иметь между штангой и стенками скважины зазор 8—25 мм. Воздух, подаваемый в скважину для удаления продуктов бурения, кроме того, охлаждает рабочий инструмент, без чего бурить было бы практически невозможно. Именно перегревом инструмента при бурении пород особой крепости вследствие большого осевого усилия объясняется неприменимость вращательного бурения для этих пород. При удалении из скважин бурового шлама шнеками минимальные затраты энергии бывают при соотношении шага витков шнека и диаметра бура, близком к единице. При оптимальном шаге витков шнека частота его вращенгя должна быть не менее 40—60 об/мин в зависимости от крепости породы и степени ее увлажнения. Наиболее эффективно бурение проходит при максимально допустимом осевом давлении на шарошечное долото по условиям прочности конструкции. Во всех случаях величина давления на забой должна превосходить сопротивление породы сжатию по площади контакта долота с породой. Значительно повышается скорость бурения при увеличении частоты вращения бурового инструмента с 60—80 до 150—250 об/мин при неизменном осевом давлении. С дальнейшим увеличением скорости вращения эффективность бурения без повышения осевого давления не увеличивается. Рис. 11.3. Схема установки вращательного бурения:
Алмазное бурение производят с помощью коронок, на которые прикреплены мелкие алмазы. Частота вращения коронки 300—3000 об/мин при осевом давлении 3—7 кН (300—700 кг). В начале работы частота вращения коронки и осевое усилие должны быть небольшими, в процессе приработки алмазов их постепенно увеличивают. При алмазном бурении обязательно промывают скважины, так как алмазы при работе нуждаются в интенсивном охлаждении. Преимуществами алмазного бурения являются постоянство скорости бурения независимо от его глубины, правильность и постоянство сечения скважин, компактность оборудования. При вращательном бурении применяют также плоские, резцовые, фрезерные и буровые коронки. I    — оголовок; 2— стойка; 3 — отклоняющий ролик; 4 — каретка; 5 — привод; 6 — буровая ко лонка; 7 — очиститель; 8 — шнек, 9 — буровая колонка; 10— перехват для удержания буровой колонки от падения в скважину; II    — винтовой домкрат; 12 — связь; 13 — экскаватор
Плоские коронки имеют слабосферические поверхности, армированные твердыми сплавами. Резцовое долото, имеющее обычно два плоских лезвия из твердых сплавов, похоже на обычную перку для сверления больших отверстий в древесине. Фрезерная коронка представляет собой торцовую фрезу с вертикальной осью. Установки для вращательного бурения с различными рабочими органами монтируют на экскаваторах (рис. 11.3), автомобилях, тракторах и специальных шасси. К голове стрелы экскаватора прикреплена шарнирно стойка, нижний конец которой тоже шарнирно соединен с экскаватором посредством рамы. На стойке укрепляют навесное буровое оборудование, в состав которого входят: каретка, привод, буровые колонки и очиститель. Привод состоит из электромотора и редуктора, выходной вал которого соединен с буровой телескопической штангой. Буровая колонка состоит из нескольких секций трубчатого сечения, вдвигаемых друг в друга при необходимости. К нижней секции прикреплены шнек и буровая коронка. Грунт, разрушаемый буровой коронкой, подается ею на шнек, который периодически поднимается наверх. Вокруг его верхней части замыкают лопасти очистителя, прикрепленного к стойке, как к направляющей. При вращении буровой колонки очиститель, подобно гайке, движется вниз по виткам шнека и очищает его. В рассматриваемой конструкции давление на буровую колонку создается силой тяжести рабочего оборудования. В некоторых установках осевое давление на буровую колонку создают гидравлическими цилиндрами. Скорость проходки при вращательном бурении можно определить по формуле где Рос — осевое давление, Я; сгв — предел прочности породы, Па Iкг/см2); Ьи — длина режущей части инструмента, см; k§ — коэффициент внутреннего трения, который зависит от свойств породы. Определяют его непосредственно перед бурением. Мощность двигателя буровой установки, кВт, n=n1+n2+n3, (11.8)
1де N j — мощность, затрачиваемая на разрушение породы; N2 — то же, на подъем породы из скважины; Л/3 — то же, на сообщение буру поступательного движения. Слагаемые мощности двигателя, входящие в формулу (11.8), равны: #х=&#с(1Л1в); (11.11)
N2=qj?gHTkt(\l-x\B)\ N3 = PocV6 (1/TlJ, где qс — объем породы, разрушенной за 1 с, м3/с; р — плотность породы, кг/м3; Яг— высота подъема грунта из скважины, м; цв — КПД механизма вращения бура; т|п — то же, подачи бура; &т — коэффициент, учитывающий расход мощности на преодоление сил трения поднимаемой породы о стенки скважины; рос — осевое давление бура. Объем породы, разрушаемой в 1 с, м3/с, qQ = nD2CKv0/4, (11.12)
где Dок — диаметр скважины, м. Скорость проходки скважин при заданной величине мощности привода N из формул (11.8) — (11.12) составит:
(11.13)
(Ъ + pqH Л)-^
Продолжительность бурения одной скважины определяют по формуле /б = Яск/3600^б,    (11.14) где Яск — глубина скважины, м; va — средняя скорость бурения, м/с, определяемая из выражения (11.8) при h=HCK/2. Вращательное бурение наиболее часто применяют в условиях строительства. Объясняется это простотой, легкостью, дешевизной, универсальностью и экономичностью средств бурения, удобством монтирования бурового оборудования на транспортных средствах.

При ударно-вращательном бурении необходимы значительно большее, чем при других способах бурения, окружное усилие и удельное давление лезвия на породу в забое скважины. В этих случаях и при большом числе ударов (2000—4000 в минуту) инструмент внедряется в породу со скоростью 0,3—0,5 м/мин и более. Рабочим инструментом при таком бурении являются трехперые буровые коронки (рис. 11.4). Рис 114 Рабочий орган ударно-вращательного бурения: а — двухперая коронка, б — трехперая коронка
Способом ударно-вращательного бурения можно проходить скважины в очень крепких породах (IX и X групп), однако стоимость работ при этом получается относительно высокой, в основном из-за недостаточной стойкости инструмента. Машины ударновращательного бурения чаще всего применяют для бурения в подземных выработках, в строительстве же их используют сравнительно редко. Методом термического бурения скважин разрабатывают наиболее крепкие породы, в основном кристаллической структуры, где механические способы бурения дают низкую производительность или не применимы. Этим способом можно прожигать скважины диаметром до 450—500 мм и глубиной до 20—25 м. Термическое бурение производят рабочим инструментом, представляющим собой горелку, работающую по типу камер сгорания реактивных двигателей. В горелке при сгорании керосина в газообразном кислороде температура достигает 3000° С. Из горелки раскаленные газы выбрасываются через сопло со сверхзвуковой скоростью и направляются на разрушаемую поверхность. Вследствие высокой температуры и сверхзвуковой скорости истечения огневых струй тепло быстро передается к нагреваемой поверхности, в количестве до (9—50)-Ю6 кДж/м2. При такой интенсивности нагревания можно разрушать хрупкие горные породы не плавлением, а растрескиванием от термических напряжений. В результате образования сетки трещин с поверхности разрушаемой породы отделяются мелкие частицы (тонкие чешуйки, зерна), которые легко удаляются из скважины с выходящим газовым потоком. При разрушении горной породы вследствие термических напряжений крепость ее не лимитирует процесса огневого бурения. Схема устройства газовой горелки термического бурения показана на рис. 11.5. По трубкам кислород и керосин подводят через распыляющие устройства к камере сгорания. Для охлаждения кислородно - керосиновых установок применяется вода, подаваемая в полость, которая при выходе из горелки превращается в пар. * Рис 115 Схема устройства горелки для термического бурения
Продукты сгорания (раскаленный газ) выбрасывается наружу через сопло, в котором они разгоняются до сверхзвуковой скорости. Парообразование в скважине увеличивает количество газов, выходящих из скважины, почти в 4 раза, что облегчает выброс разрушенных частиц наружу. I — топливо 2— окислитель, 3 — вода, 4 — камера сгорания, 5 — раскаленный газ, 6 — сверхзвуковая струя газа
Там, где затруднительно обеспечить термическое бурение газообразным кислородом, применяют горелки, в которых окислителем служит сжатый воздух, а топливом — бензин. Термическим способом скважины бурят с помощью станков с рабочим органом в виде термобура или ручным буровым инструментом. Ручные термобуры имеют сравнительно небольшую массу (5—8 кг) и удобны для бурения скважин глубиной до 1,4—1,5 м и диаметром 40—80 мм. Конструкции станков для термического бурения проще, чем для других способов, так как эти станки сообщают вращательное и поступательное движение, а также направляют сравнительно легкий рабочий инструмент. При вращении бура с частотой 6—30 об/мин порода равномерно разрушается по всему забою. Иногда в нижней части рабочего инструмента помещают резцы, которые дополнительно разрушают породу. Такой способ бурения называют термомеханическим. Универсальные сборные инструменты удобны тем, что позволяют устанавливать на одном агрегате комбинации из нескольких горелок, обеспечивающие бурение скважин различного диаметра от 80 до 450 мм. Существенное преимущество термического способа заключает-i ся также в том, что с его помощью можно расширить любую часть 'срважины на 100—200 мм приемом замедления подачи бура в нужном месте. Это важно при устройстве скважин для взрывных работ. Скорость термического бурения более высокая, чем при любом другом способе. Для мерзлых грунтов она составляет 8—20 м/ч, а для крепких каменных пород 4—20 м/ч, уменьшаясь с увеличением диаметра скважины. Масса и стоимость бурового оборудования, отнесенная к 1 м пробуренной скважины, при термическом бурении во много раз меньшие, чем при всех остальных способах. Стоимость же материалов, расходуемых при бурении, значительно выше. В заключение отметим, что термический и термомеханический способы бурения мерзлых и очень плотных грунтов, а также просверливания отверстий в бетоне, обработки каменных материалов (например, стесывания граней бордюрных камней) являются перспективными, хотя они пока недостаточно разработаны. § 11.3. Машины для бестраншейной прокладки труб При применении способа бестраншейной прокладки подземных коммуникаций под автомобильными и железными дорогами не нарушается движение транспорта, сохраняется целостность земляного полотна, покрытий и верхнего строения дорог. Поэтому экономический эффект от использования такого оборудования достаточно высок. Машины для бестраншейной прокладки труб разделяют на две основные группы: для прокладки малых (диаметром 100—500 мм) и больших (диаметром 600—2000 мм) скважин. Из машин первой группы чаще всего применяют пневмопробойники, рабочие органы которых вдавливаются в грунт ударами с помощью специальных ударников. Возвратно-поступательное движение ударника происходит под действием сжатого воздуха. В последние годы серийно выпускают пневмопробойники для проходки скважин диаметром от 80 до 600 мм. Длина скважин, зависящая от их диаметра, может достигать 30—40 м. Скорость проходки в пределах 1,5—8 м/ч уменьшается с увеличением длины скважины. Пневмопробойник состоит из ударного узла, стартового устройства, расширителей, удлинителя. Корпус ударного узла (рис. 11.6) является рабочим органом, образующим скважину. Корпус перемещается вперед под действием ударов, которые ударник наносит по его переднему внутреннему торцу. Обратному перемещению ьорпуса под действием реактивных сил препятствуют силы трения между его наружной поверхностью и грунтом. Направление ударов ударника можно изменять, что позволяет реверсировать движение корпуса. Работает ударник под действием сжатого воздуха, подводимого к пневмопробойнику по шлангу. Воздух направляется попеременно к разным концам ударника с помощью золотника. Удлинитель, представляющий собой отрезок направляющей трубы и повышающий точность проходки скважин, соединен с корпусом ударного узла по конической поверхности. Для образования скважин диаметром больше диаметра корпуса делают несколько проходов ударным узлом, устанавливая на корпусе при каждом проходе расширители увеличивающихся диаметров. Расширитель, представляющий собой сварной цилиндр с конической головной частью, устанавливают на головной части корпуса ударного узла. Для забивания в скважину труб к ударному узлу прикрепляют насадку, соединяемую с трубой. На переднюю часть трубы надевают конусный наконечник. До начала работ на трассе скважины подготавливают приямки — входной и приемный. Во входной приямок устанавливают
Рис. 11.6 Ударный узел с удлинителем: 1 — шланг; 2 — корпус; 3 — золотник; 4 — ударник; 5 — удлинитель стартовое устройство, ориентированное по направлению скважины с помощью уровня и визирного шнура. Стартовое устройство, предназначенное для запуска ударного узла в грунт, состоит из рамы, пневмоцилиндра с прижимным станком, опорных костылей и кранов управления пневмосистемой. Устройство закрепляют в приямке с помощью опорных костылей, после чего на него укладывают ударный узел. Пневмоцилиндр стартового устройства своим прижимным станком подает ударный узел к забою приямка. После этого включают пневмосистему ударного узла, и его корпус начинает вдавливаться в грунт. Работу начинают без удлинителя, который устанавливают на извлеченном ударном узле после проходки 2,5—3 м скважины. Аналогично производят работу с расширителями и по забивке труб. Расход пневмопробойником сжатого воздуха при давлении 0,6—0,7 МПа (6—7 ат) не превышает 8 м3/мин. В машинах для проходки скважин большого диаметра применяют различные типы рабочих органов. Машины, работающие методомпродавливаниягрунта, вдавливают в него трубы с помощью силовых установок, состоящих из нескольких гидравлических домкратов с усилием на штоке каждого 150—500 т. Домкраты упираются в деревянные, металлические или бетонные стенки, устанавливаемые во входных приямках. Вдавливаемая труба перемещается в приямке по направляющим. На переднем конце прокладываемой трубы укрепляют лобовую обделку-нож, облегчающую вдавливание. Грунт, поступающий в трубу в виде цилиндра, разрабатывают механизированным способом или вручную и удаляют из забоя. Механизированная разработка грунта сравнительно сложна, и производят ее обычно с помощью совков и скребков. Значительно чаще применяют машины с ручной разработкой грунта, которые можно изготовлять в мастерской строительной организации. Производительность механизированных установок 10—18 м/см, ручных — значительно ниже. Величину усилия, необходимого для внедрения труб, выбирают с учетом их диаметра (усилие возрастает приблизительно прямо пропорционально диаметру), вида грунта и способа его удаления из трубы, а также длины продавливаемой трубы. Рис 11.7. Схема шнековой машины горизонтального бурения:
Усилия продавливания значительно уменьшаются при разработке грунта на линии кромки ножа, укрепленного на трубе. Так, при продавливании трубы диаметром 1000 мм длиной 30 м в глинистом грунте оно равно 1,6 МН, а при разработке грунта на 2 м сзади кромки ножа усилие составляет 2,1 МН (210 т). При разработке ггесчаных грунтов по второму варианту усилие вдавливания требуется значительно большее, чем в глинистых. Для нашего примера оно равно 2,7 МН. При разработке грунта у кромки ножа вид грунта мало влияет на величину усилия. С увеличением длины прокладываемой трубы усилие значительно возрастает. 1 — рама; 2— опорные ролики; 3—главный вал со шпинделем, 4 — шнек; 5 — режущая головка; 6, 7 — сменные шестерни; 8 — электродвигатель; 9 — привод главного вала; 10— привод подачи, 11—ходовой винт; 12—штурвал ручной подачи; 13 — корпус редуктора
Машины, работающие методом горизонтального бурения, применяют чаще остальных. Возможно одновременное или раздельное бурение и прокладка труб с непрерывным или цикличным транспортированием грунта. На рис. 11.7 показана схема машины с непрерывным транспортированием грунта, производимым шнеком и отдельной прокладкой труб. Процесс бурения грунта этой машиной аналогичен процессам сверления. Рабочее оборудование машины с помощью опорных роликов опирают на раму и подают на забой вручную штурвалом или с помощью специального привода. Организация работы этих машин аналогична описанной выше для пневмопробойников. Трубу протаскивают после очистки скважины от грунта и извлечения машины из приямка. Машины такого типа могут бурить скважины диаметром до 500—600 мм, длиной до 35—40 м со скоростью 5—8 м/ч. Эти машины непригодные для работы в слабых и неустойчивых песчаных грунтах, а также в скальных и водонасыщенных. Кроме того, скважины, пробуренные ими, могут значительно отклоняться от заданного направления. Машины с совмещенными процессами бурения и прокладки труб (рис. 11.8) обеспечивают более высокое качество работ. Транспортирующими органами у них обычно служат безопорные свободно плавающие шнеки, размещенные в прокладываемых трубах. Такой шнек состоит из нескольких секций, наращиваемых в процессе прокладки труб. На первой секции шнека устанавливают режущую головку, которая разрабатывает грунт по диаметру трубы. При этом создается серпообразный зазор между наружной Рис. 11.8. Схема машины горизонтального бурения с совмещенным бурением и подачей труб: / — электродвигатель; 2, 4, 5, 13, 14, 17 •— звездочки; 3, 16 — червячные редукторы; 6кулачковая муфта; 7—барабан; 8 — трос; 9 — неподвижный блок; 10 — режущая головка; 11 — прокладываемые трубы; 12 — шнек; 15 — опорный ролик стенкой трубы и сводом скважины, благодаря чему значительно уменьшаются усилия подачи труб в скважину. Шнек и трубу подают в скважину с помощью каретки, получающей нажимные усилия от ходового винта, или используя полиспасты, как показано на рис. 11.8. Режущая головка машины состоит из державки, на которой укреплены зубья, армированные твердыми сплавами. Зубья при вращении перекрывают все сечения скважины и равномерно разрабатывают грунт. Производительность машин с совмещенным бурением и прокладкой труб более высокая, чем у машин с раздельно выполняемыми операциями. К рассматриваемой группе машин относят также скребковые. В скребковой машине передняя секция трубы — инвентарная, т. е. ее не оставляют в скважине после окончания работы. В этой секции устанавливают режущий рабочий орган и его при-г.од. Рабочий орган состоит из забурника и ротора. При вращении он вырезает и измельчает грунт, после чего он падает на нижнюю часть инвентарной секции. Удаляют грунт из секций скребковым конвейером (транспортером). Скребки прикрепляют к бесконечной втулочно-роликовой цепи, которая с помощью приводного редуктора и кривошипного механизма совершает возвратно-поступательное движение вперед и назад. При движении вперед скребки свободно отжимаются и проскальзывают над грунтом, оставляя его на месте. При обратном движении скребки под действием собственной массы, заняв вертикальное положение, загребают грунт, оставленный смежными скребками, и передвигают его ближе к заднему концу трубы. Скребковые машины сравнительно просты по устройству и имеют небольшую массу. Их производительность составляет 2—3 м/ч. Машинами с гидромеханизированными процессами разработки и удаления грунта чаще всего разрабатывают его одновременно двумя способами: механическим разрушением и размывом струей воды, вытекающей под напором. На конце прокладываемой трубы укрепляют буровую колонку. При вращательно-поступательном движении трубы буровая колонка вырезает керн грунта, который разрыхляется затем ножами. Одновременно грунт размывается струей воды и в виде пульпы стекает из трубы на дно котлована. Напор рабочих органов на 1рунт обеспечивается гидравлическим или канатным механизмом. Еода подается к рабочему органу по промывочной трубе, помещенной внутри прокладываемой трубы. Гидромеханические установки расходуют 120—150 м3/ч воды при ее напоре ОД—0,20 МПа (18—20 м). Скорость бурения — ],5—8 м/ч. Эти машины нельзя применять для прокладки трубопроводов иод железнодорожными насыпями ввиду опасности размыва насыпи. Буровыеустановкисцикличнымудалениемгрун-та обычно имеют в качестве рабочего органа винтообразный нож, который режет и разрыхляет грунт перед прокладываемой трубой. Внутри трубы помещают транспортирующее устройство, чаще всего ковш. После того как труба продвигается вперед на 10—15 см, ковш врезается в разрыхленный грунт. Затем ковш, не полностью заполненный грунтом, отводится немного назад. Такой цикл движения ковша повторяется. Для того чтобы грунт полностью заполнил ковш, в инвентарной передней секции трубы перемещается клапан, качающийся на неподвижной оси. Этот клапан при движении ковша вперед прижимается к передней части грунта, находящегося в ковше, перемещая его в заднюю часть ковша. При движении ковша назад клапан приподнимается, свободно пропуская под собой грунт в ковше. Полностью наполняется ковш за 3—4 цикла. Разгружают ковш при помощи разгрузочного клапана аналогичного загрузочному. Трубу подают в забой канатным механизмом. Эти установки применяют, главным образом, для проходки скважин большого диаметра. Скорость проходки скважины описанными установками обычно не велика — 3—5 м/ч. Основные преимущества машин с цикличным удалением грунта — возхмож-иость проходки протяженных скважин (длиной до 90—100 м), а также сменная производительность примерно на 30—50% большая, чем у других типов машин этого назначения. Машины для бестраншейной прокладки труб выпускают самородные и несамоходные. Первые монтируют на гусеничных тракторах, вторые поддерживаются во время работы кранами или их } станавливают на неподвижных рамах. Для уменьшения сил трения грунта по металлу трубы, которые являются главными составляющими сопротивления вдавливанию труб, диаметр скважин принимают на 50—70 мм больше диаметра прокладываемых труб. Кроме того, с этой целью иногда поверхность труб покрывают полиэтиленом, глинистыми или глинистонефтяными растворами. § 11.4. Перспективы развития оборудования Как показал опыт, повышать производительность буровых установок путем увеличения их мощности или применением двигателей с большим крутящим моментом не всегда рационально, так как машины получаются громоздкими и тяжелыми. Более целесообразно предусматривать системы регулируемого привода, обеспечивающие работу при практически постоянной загрузке двигателя независимо от изменения величины внешнего сопротивления (резания и транспортировки грунта, проталкивания в скважину труб и т. п.). Все шире применяют в буровых установках бесступенчатое автоматическое регулирование режимов их работы. При этом скорость бурения меняется в зависимости от физико-механических свойств грунта, диаметра и глубины бурения. Проще всего такое регулирование обеспечить использованием гидропривода. Гидравлические буровые установки позволяют также уменьшить число сложных механических передач, а также облегчить выпуск унифицированного бурового оборудования и универсальных буровых станков с монтажом рабочих органов в различных местах базы этих станков — сзади, сбоку, спереди, на поворотном круге. Таким образом, применение гидропривода является одним из важных направлений развития бурового оборудования. Для повышения эффективности рабочего процесса применяют новые методы разработки грунта (электрофизические, термические и др.) и совершенствуют средства механического бурения. По последнему направлению создают новые конструкции резцов, отыскивают их рациональную геометрию, применяют более прочные и износостойкие материалы. Специалисты различных стран много внимания уделяют вопросам улучшения транспортирования грунта и бурового шлама. Так, F. США и Канаде для очистки забоя скважин при бурении скальных и мерзлых грунтов применяют только сжатый воздух. Практика показала, что на скорость проходки скважин в мерзлых грунтах оказывает влияние система продувки скважин — прямая и обратная. При прямой продувке сжатый воздух подается в скважину через полость буровой штанги и каналы шарошечного долота и выходит через кольцевой канал между стенкой скважины и буровой штангой. При обратной продувке воздух движется в обратном направлении: в забой через кольцевой канал, а обратно — через канал в штанге. При прямой продувке скважин продолжительность контакта воздуха с ее стенками значительно большая, чем при обратной (скорость восходящего потока воздуха, уносящего буровой шлам, меньше скорости нагнетаемого чистого воздуха). В результате этого стенки скважин обычно оттаивают и грунт обваливается. Вследствие этого диаметр скважин увеличивается, что уменьшает скорость восходящего потока воздуха, которая может оказаться недостаточной для выноса шлама, и бурение прекращается. Для избежания всех этих последствий в последние годы при бурении мерзлых грунтов начали применять системы обратной продувки скважин или охлажденный сжатый воздух для продувки скважин. В новых машинах для бестраншейной прокладки труб грунт чаще всего транспортируют непрерывно — с помощью шнеков, ковшовых элеваторов, скребковых транспортеров и т. п. Однако при увеличении диаметра труб снижается устойчивость забоя. Вследствие этого грунт может защемлять трубу, проталкиваемую в скважину, из-за чего увеличивается сопротивление ее перемещению. Кроме того, в затрубном пространстве образуются каверны и возможна недопустимая просадка. Для предотвращения этого теперь начали применять режущие головки с регулируемым поло-яением относительно инвентарного звена. При бурении в неустойчивых грунтах режущие головки размещают внутри инвентарных звеньев. При этом процесс бурения по своей сущности становится аналогичным продавливанию с непрерывной транспортировкой грунта. При таком процессе повышается устойчивость забоя, исключается возможность обрушения и не образуются пазухи за стенками прокладываемой трубы. Однако при этом увеличивается лобовое сопротивление грунта вдавливанию трубы и повышаются силы трения ее о стенки скважины. Чтобы уменьшить силы трения грунта, на инвентарном звене в головной его части устанавливают обечайку с отверстиями, через которые наружную поверхность трубы смазывают антифрикционным материалом (например, солидолом) . Новейшие буровые машины различного назначения часто оснащают устройствами для введения в забой скважин смазочных и поверхностно-активных веществ, что сильно повышает эффективность процесса бурения скважин. Основными задачами при конструировании перспективных буровых машин кроме указанных выше являются улучшение их транс-гортных качеств, а также увеличение возможностей манипулирования рг бочим оборудованием с установкой его в различных положениях без перемещения базовой машины. Все это уменьшает вспомогательное время при ведении буровых работ. ГЛАВА 12 ОДНОКОВШОВЫЕ ПОГРУЗЧИКИ § 12.1. Назначение и классификация погрузчиков Одноковшовый погрузчик состоит из базовой машины и рабочего оборудования шарнирно-сочлененного типа. В комплект сменных рабочих органов погрузчика входят несколько типов ковшей, захваты для работы со штучными грузами, бульдозерный отвал и др. Одноковшовые погрузчики с ковшовым оборудованием широко применяют для разработки карьерных сыпучих и мелкокусковых материалов с погрузкой их в транспортные средства, для послойной разработки грунта, перемещения его и отсыпки в отвал, а также выполнения погрузочно-разгрузочных и транспортных работ с различными сыпучими материалами. Одноковшовые погрузчики со сменными рабочими органами используют для погрузки и разгрузки контейнеров, лесоматериалов, выполнения планировочных работ и др. По основному параметру — номинальной грузоподъемности, кН,— одноковшовые погрузчики разделяют на малогабаритные <менее 5), легкие (5—20), средние (20—40), тяжелые (40—100) и большегрузные (более 100). Погрузчики классифицируют также по типу ходового оборудования, базовой машины, расположению, типу и приводу погрузочного оборудования. По типу ходового оборудования погрузчики подразделяют на гусеничные и колесные. Вследствие более высокой мобильности и транспортабельности наиболее распространены колесные погрузчики Гусеничные погрузчики используют при работе на грунтах со слабой несущей способностью, а также на взорванных скальных грунтах, где необходимо реализовать большие усилия на ковше и где шины быстро изнашиваются. По типу базовой машины различают погрузчики на специальных базовых шасси и тягачах, погрузочных модификациях промышленных тракторов и промышленных модификациях тракторов общего назначения. Специальные шасси и тягачи создают в расчете на агрегатирование с ними погрузочного оборудования. У них более рациональная компоновка узлов и агрегатов, однако погрузчики на базе собственных шасси экономически целесообразны только при большой серийности их выпуска или при создании машин специального назначения, где в качестве базы невозможно применить тракторы. Погрузчики выпускают с полуповоротным, перекидным и фронтальным рабочим оборудованием. При полуповоротном оборудовании предусмотрена боковая разгрузка ковша в направлении разработки материала. При перекидном же оборудовании материал разгружается назад, а фронтальное оборудование обеспечивает разгрузку ковша со стороны разработки материала. Преимущественно распространены в нашей стране и за рубежом одноковшовые фронтальные погрузчики. § 12.2. Конструктивные схемы и основные параметры Погрузчики на пневмоколесном ходу (рис. 12.1, а) монтируются обычно на четырехколесных, двухосных специальных шасси с жесткими рамами и поворотными колесами или с шарнирно-сочлененными рамами. Ходовое оборудование имеет колесные схемы 2x4 и 4X4, а также балансирную подвеску одного из мостов (обычно заднего) для постоянного опирания на грунт всех четырех колес. С этой же целью в машинах с шарнирно-сочлененными рамами предусматривают дополнительные горизонтальные шарниры. Рабочее оборудование погрузчика состоит из стрелы, рабочего органа, механизмов подъема стрелы и поворота рабочего органа. Навешивают погрузочное оборудование на трактор через специальный портал, на заднюю навеску трактора нередко устанавливают рыхлитель, используемый для предварительного рыхления грунта, разрабатываемого погрузчиком. Одноковшовые погрузчики являются машинами цикличного действия. В течение одного цикла погрузчик последовательно выполняет следующие основные операции: заполняет ковш и поднимает его в транспортное положение, а после передвижения к месту разгрузки поднимает ковш в положение разгрузки. Далее происходят поворот и разгрузка ковша, опускание его в транспортное положение, после чего погрузчик передвигается к месту загрузки ковша. Некоторые из элементов цикла (например, опускание ковша и движение погрузчика к месту загрузки) можно совмещать. В зависимости от физико-механических свойств разрабатываемого (погружаемого) материала применяют различные способы заполнения ковша (рис. 12.2). При раздельном способе (рис. 12.2» а) ковш внедряется в грунт под действием напорного усилия ходового оборудования машины. После окончания этой операции машинист поворачивает ковш, внедренный в материал, заполняет его и поднимает стрелу с ковшом в транспортное положение. Преимущество данного способа работы заключается в его простоте, однако он применим только для работы с легкими (насыпными) материалами, так как при значительных сопротивлениях грунта напорного усилия машины не хватает для достаточного внедрения ковша и он заполняется лишь частично. К разновидностям данного способа погрузки относят послойную разработку грунта относительно тонкими стружками (скреперный способ), что обеспечивает хорошее заполнение ковша при работе на достаточно прочных грунтах. Рис. 12.1. Одноковшовые фронтальные погрузчики: а — на базе специального колесного шасси с жесткой рамой и поворотными колесами; б*— на базе гусеничного трактора; 1 — рабочий орган — ковш; 2— механизм поворота ковша; гидродилиндры: 3 — механизма поворота ковша; 4«—механизма подъема стрелы; 5 — шасси; 6 — портал; 7 — трактор; S*- рыхлитель При совмещенном способе ковш заполняется под действием напорного усилия ходового оборудования при одновременном подъеме стрелы и повороте ковша На практике совмещают операцию внедрения ковша с подъемом стрелы (экскавационный способ, рис. 12 2, б) или операцию внедрения ковша с его поворотом типа, а также применяют гидравлические следящие системы, обеспечивающие подачу жидкости в соответствующую полость гидроцилиндра ковша для сохранения нужного угла запрокидывания.


Рис 12 2 Способы заполнения ковша а — раздельный, б — совмещенный — внедрение ковша с подъемом стрелы и поворотом ковша, в — внедрение ковша с подъемом стрелы и подъемом стрелы (рис 12.2, в), в результате чего ковш заполняется лучше и сокращается продолжителььность цикла. Совмещать операции можно при установке отдельных насосов для подъема стрелы и поворота ковша или в случае применения делителей потока. Совмещенный способ, требующий высокой квалификации машинистов, особенно эффективен при автоматизированных системах управления погрузчиками. Для того чтобы грунт не высыпался при подъеме и опускании рабочего оборудования, используют рычажные механизмы поворота ковша параллелограммного или аитипараллелограммного
Базовое шасси или трактор, предназначенные для навески погрузочного оборудования, характеризуются массой, мощностью установленного двигателя рабочими ор и транспортными t>TD скоростями передвижения, размерами движителя и его маневренностью (В0, Ь0, гв и др.). Тяговые расчеты машины (см.
§ 5.6) выполняют для различных режимов работы, заполнения ковша, передвижения погрузчика с грузом в различных условиях, а также без груза. Для этого необходимо знать массу базового шасси или тягача и задаться номинальной грузоподъемностью Qhom погрузчика и массой его рабочего оборудования Go. Величину напорного усилия принимают для колесных погрузчиков ■Рнап—0,5-т-0,6 Gr, для гусеничных Рта— 0,7-И,0 GT. При этом мощность двигателя должна быть достаточной для обеспечения рабочей Рис- 123 Схема погруз™ грунта Л , г. , г    в автосамосвал скорости ир=0,5-ь1,0 м/с, транспортной скорости с грузом Итг = = 1,0-^3,0 м/с и то же, но без груза t»T=3,0-^ 10,0 м/с (меньшие значения указаны для машин на гусеничном ходу). Разгрузка ковша, обеспечиваемая поворотом ковша на выгрузку («от себя»), определяет следующие основные параметры погрузчика: высоту разгрузки Я2, вылет кромки ковша L, углы разгрузки ер и запрокидывания е3 ковша (рис. 12.3). Для обеспечения эффективной совместной работы погрузчиков и автомобилей-самосвалов их параметры должны быть взаимоувязаны. Известно, что материал (грунт) в кузове автомобиля распределяется равномерно, если режущая кромка ковша при его разгрузке находится от борта на расстоянии не менее 1/3 ширины кузова. Исходя из этого и учитывая необходимость загрузки автосамосвалов с шапкой, вылет кромки ковша принимают равным Z, = 0,333SK-j- Д1,    (12.1) где Вк — ширина кузова автосамосвала; AL = 0,1 -^0,25 м — расстояние от погрузчика до автосамосвала (зазор безопасности). Высота разгрузки самосвала Я2= Я + ДЯ = Н + 0,333 £Ktgp,    (12.2) где Я— высота борта самосвала, р — угол естественного откоса погружаемого материала. Для уменьшения потерь материала при транспортировании значения угла р принимают минимальными. Для нормальной работы с различными грунтами и материалами механизм поворота ковша должен при максимально поднятом ковше обеспечивать £р^50° И 8з^40°. Номинальную грузоподъемность погрузчика QHOm выбирают в зависимости от статической опрокидывающей нагрузки Q, приложенной в центре тяжести ковша при его максимальном вылете (рис. 12.4). Исходя из момента начала потери устойчивости при #в = 0, находим Q=(Gt/t-O0/0)//q, (12.3) Рис. 12.4. Определение грузоподъемности погрузчика
Номинальная грузоподъемность машины QhoK=QA, (12.4) где k — понижающий коэффициент, значения которого выбирают из условий работы машины. Как было указано, одноковшовые строительные погрузчики черпают материал при совмещении операций напора и подъема. Для такой схемы работы необходимо на режущей кромке ковша обеспечить достаточное усилие резания; в нашей стране для этой группы машин принято <k=2. Для тех случаев, когда нет необходимости черпать материал (погрузчики штучных грузов, лесопогрузчики и др.), значения k можно снижать. Для этих машин номинальную грузоподъемность определяют из условий устойчивости их на всех режимах работы. Окончательно установить грузоподъемность погрузчика можно лишь после выполнения всего комплекса расчетов, определения параметров рабочего оборудования и его массы, нагрузок на ходовую часть, массы базовой машины и т. д. Номинальную грузоподъемность одноковшовых строительных погрузчиков устанавливают в соответствии с ГОСТ 12568—67 «Погрузчики одноковшовые строительные» равной 2, 3, 4, 6 и 10 т. § 12.3. Выбор параметров рабочего оборудования Номинальная вместимость <7Ном основного ковша, м3, определяется по формуле <7ном == Qhom/Рг^р,    (12.5) где рг — объемная масса материала (грунта); kv — коэффициент разрыхления. Ковш (рис. 12.5) обычно имеет плоское днище, переходящее по радиусу в заднюю стенку с козырьком. Вертикальные боковые стенки и днище усилены накладками, имеющими режущие кромки. При разработке кусковых материалов на режущей кромке днища устанавливают съемные зубья. Днище и заднюю стенку усиливают ребрами, продольными и поперечными связями. Внутреннюю ширину ковша Вк принимают на 50—150 мм больше ширины базового трактора или шасси. Расчетный радиус поворота основного ковша г определяют по эмпирической формуле Рис. 12 5. Параметры основного ковша
г=У^„Ом/(0,45 -г- 0,65) Вк. Используя расчетный радиус поворота основного ковша, по эмпирическим формулам определяют его основные параметры (рис. 12.5); условную длину днища /д, условную длину задней стенки U, радиус сопряжения задней стенки с днищем г0, высоту козырька hK, высоту шарнира крепления ковша к стреле hm, угол между днищем и задней стенкой 72, угол наклона режущих кромок боковых стенок уг, угол между задней стенкой и козырьком Yi. После определения геометрических размеров основного ковша его номинальную вместимость определяют по формуле Яиот—F Вк — (2/3) hKb, '12.7)
где F — площадь поперечного сечения ковша (на рис. 12.5 она заштрихована); Вк — внутренняя ширина ковша; /гк — высота козырька; b — зев ковша. Номинальная вместимость основного ковша одноковшового строительного погрузчика должна быть не менее предусмотренной I ОСТ 12568—67 для данного типоразмера. Размеры рычажной системы определяют по основным параметрам рабочего оборудования и координатам точки подвески стрелы, которые зависят от конструктивных особенностей и компоновки базовой машины. Точки крепления гидроцилиндров и параметры рычажной системы выбирают по конструктивным соображениям. После построения схемы рабочего оборудования проверяют его кинематику при нескольких положениях стрелы. Исходными данными для выбора и расчета гидрооборудования служат наибольшее давление в гидросистеме Р1такс= (10ч-30) МПа, ограничиваемое предохранительным клапаном, усилие на штоках, ход и скорость движения штоков исполнительных гидро-цилиндров. Усилие на штоках гидроцилиндров ковша зависит от конструкции рабочего оборудования Если в момент поворота ковша стрела не опирается на опорные лыжи, то выглубляющее усилие Рвыг определяют из условия продольного опрокидывания машины относительно ребра под осью опорных колес (точка О рис. 12.6): Рвыг=(ОЛ —О0/0)//1-    (12.8) Если же стрела имеет лыжи, прини- опорные мают Р Рис. 12.6 Схема к расчету сидроцилиндров
r=(2,04-3,0)QHOM.(12.9) Усилие на штоке гидроцилиндра поворота ковша определяют по выражению Л.к (ЛыЛ -f + ОкЩ«ц,п'Пп). (12.10) где GK — вес ковша; пцп—■ число гидроцилиндров поворота ковша, пци—1—-2; in, г‘к — мгновенные передаточные отношения механизма поворота ковша для силы Ръыг и веса ковша; % — КПД механизма поворота ковша; т]п=0,8-ь0,85. Мгновенные передаточные ковша отношения механизма поворота
hh
hh
Плечи l2,..Zg показаны на рис. 12.6. Усилия на штоках гидроцилиндра стрелы Рцс определяют по подъемному усилию Рпод, которое вычисляют исходя из условия потери устойчивости машиной. По усилиям гидроцилиндров и рабочему давлению определяют диаметры гидроцилиндров. Следует отметить, что для наиболее распространенных схем рабочего оборудования плечо /4 гидроцилиндра подъема стрелы в верхнем положении ковша минимально. Поэтому следует проверить достаточность выбранного диаметра цилиндров для подъема груза QHom на высоту Я при рабочем давлении Величины подач насосов привода рабочего оборудования Ян рассчитывают на основе выбранных параметров гидроцилиндров и требуемых скоростей движения рабочего органа: Ян>
где Fc, FK — площади поршней гидроцилиндров стрелы и ковша; «с, Пк — число гидроцилиндров стрелы и ковша; vc, ик — скорости режущей кромки ковша при работе гидроцилиндрами стрелы и ковша (ус=0,5 м/с; ик—0,5-^1,0 м/с); т)н — объемный КПД насоса. Мгновенные передаточные отношения механизмов подъема стрелы и поворота ковша: ic — h/U'i i-к— Если расчетный расход (подача) отличается от расхода насоса, установленного на базовом шасси, определяют фактические скорости при подъеме стрелы и повороте ковша и в случае необходимости принимают меры к их снижению. § 12.4. Расчеты на прочность Расчеты рабочего оборудования и силовых элементов базовых тракторов и шасси проводят для самых неблагоприятных сочетаний внешних нагрузок, приложенных к крайнему зубу или к краю режущей кромки ковша. За первый расчетный случай (рис. 12.7, а) принимают случай удара края ковша о труднопреодолеваемое б)
Рис. 12.7. Основные расчетные положения одноковшовых погрузчиков
препятствие при движении его по горизонтальной поверхности. Гидроцилиндры рабочего оборудования при этом заперты. Вторым расчетным положением (рис. 12.7, б) считают вывешивание погрузчика на направляющих или передних колесах при внедрении ковша в штабель и обеспечении гидроцилиндрами поворота ковша максимального выглубляющего усилия на режущей его кромке. В третьем расчетном случае (рис. 12.7, в) расематри- Рис. 12.8. Схема к расчету рабочего оборудования: 1 — ковш; 2 — стрела; 3 — поворотная тяга; 4 ■—коромысло вают вариант вывешивания погрузчика на ведущих или задних колесах при внедрении машины в штабель и усилиях в гидроцилиндрах стрелы, достаточных для опрокидывания погрузчика назад. В отдельных элементах рабочего и ходового оборудования опасные напряжения могут возникнуть при других сочетаниях внешних нагрузок. Так, для расчетов узлов и деталей подвески колес следует рассмотреть случай наезда колеса на препятствие; буксирное устройство нужно рассчитать на нагрузки, возникающие при движении машины с высокими скоростями. Расчет узлов и деталей рабочего оборудования производят по усилиям, получаемым на основе силового анализа с учетом реальных размеров и мгновенных передаточных отношений рычажной системы. В расчетах принимают, что передняя кромка ковша при внедрении в грунт расположена под углом 5° к горизонту, парные гидроцилиндры соединены параллельно и воспринимают одинаковые усилия, КПД механизма 100%. Усилия в гидроцилиндрах определяют (рис. 12.8) по следующим уравнениям: ^ц.к {Ру^пу~\~ Рх^пх + GKiK)j Пк, P1Х.с = {Ру^З~\~    — nKPaJ5)l{nM,
{Размеры плеч l2,...,l13 показаны на рис. 12.8). Расчет коромысла 4 стрелы ведут по максимально возможному усилию гидроцилиндров поворота ковша с учетом динамического характера приложения нагрузки. Поворотную тягу 3 проверяют на устойчивость от продольного изгиба по максимальному усилию, возникающему при запрокидывании ковша и вывешивании погрузчика на режущей кромке ковша. Расчет стрелы 2 производят для всех- расчетных положений. Металлоконструкции стрел являются, как правило, статически неопределимыми системами. Величины моментов и поперечных сил находят, раскрывая неопределенность с помощью известных способов строительной механики. Вследствие того что одноковшовые погрузчики обеспечивают высокую технико-экономическую эффективность погрузочно-разгрузочных работ, эти машины широко используют в строительстве; в будущем ожидается еще большее развитие и применение их. На одноковшовых погрузчиках получат широкое распространение мотор-колеса, армированные, износоустойчивые шины со специальным рисунком протектора и возможностью регулирования давления, гидрооборудование с рабочим давлением 25—30 МПа, системы, обеспечивающие надежную и долговечную работу машин в условиях низких и высоких температур. В последние годы погрузчики оснащают универсальным и специальным сменным рабочим оборудованием и быстросменными рабочими органами, создаются малогабаритные погрузчики, обеспечивающие механизацию земляных работ малых объемов, и большегрузные машины грузоподъемностью 25 т и более для работ в крупных карьерах. ГЛАВА 13 МАШИНЫ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ Объем разработки мерзлых грунтов быстро увеличивается в связи с расширением строительства в северных и северо-восточных районах нашей страны — там, где зимний период продолжается 6—7 месяцев. В связи со значительной прочностью мерзлых грунтов разрабатывать их машинами, применяемыми в обычных условиях, невозможно без предварительной подготовки забоя или замены рабочих органов. Предварительная подготовка забоя заключается в предохранении грунта от промерзания укрытием, оттаивании, нарезании щелей, взрывном и механическом рыхлении, а также физическом или химическом способах разупрочнения грунта. Если грунт надежно предохранен от промерзания, его можно разрабатывать в зимнее время обычными землеройными машинами. Стоимость укрытия грунта теплоизоляционными материалами (шлаком, торфом, соломой, опилками, снером, пенопластом и т. п.) незначительна, трудоемкость также невелика. Недостаточно широка применяют этот метод из-за сложности соответствующего планирования и организации работ на строительной площадке, а также трудности предохранить слои утеплителя от случайного разрушения. Оттаивание мерзлых грунтов (огнем, паром, горячей водой, поверхностными и глубинными электродами) целесообразно применять для небольших объемов работ, или при выполнении их в стесненных условиях. Для оттаивания грунта расходуется много энергии (3—9 кВт/м3), и при сравнительно небольшой трудоемкости оно имеет высокую стоимость. Для подготовки мерзлых грунтов к экскавации чаще других применяют механический способ их разрушения. Основными группами машин, работающих по этому способу, являются навесные рыхлители, машины для нарезания щелей и разработки траншей, оборудование ударного и вибрационного действия. Конструкция и расчет навесных рыхлителей описаны в § 6.3. Для рыхления мерзлых грунтов можно использовать рыхлители на тракторах с тяговым усилием 150 кН (15 т) и более. Обычно навесные рыхлители, рабочие органы которых неподвижны относительно машин (статического действия), целесообразно применять на больших участках работ, так как из-за большой глубины рыхления мерзлых грунтов за один проход при малых площадях участков следующие за рыхлителем машины будут загружены недостаточно. Мерзлый грунт рыхлится послойно, и на эффективность работы рыхлителя особенно влияет прочность промерзшего слоя, зависящая от температуры и влажности грунта. При температуре грунта ниже —15° С применять статические рыхлители обычно не рекомендуется. Наиболее целесообразно рыхлить грунт за один проход на глубину промерзания; в этом случае мерзлый грунт взламывается при наименьших затратах энергии. Навесной рыхлитель может работать так при толщине слоя промерзания не более 0,3—0,5 м. Убирать разрыхленный грунт следует сразу вслед за рыхлением, так как он быстро смерзается и разрабатывать его скреперами или бульдозерами невозможно. Перед началом работы рыхлителя с площадки удаляют снежный покров, благодаря чему увеличивается сцепление тягача с грунтом. Для работы при отрицательных температурах применяют как. обычные машины, так и в северном исполнении. Обычные машины после проведения определенных мероприятий, могут, как правило, успешно работать до температуры —25° С. При более низких температурах следует использовать машины в северном исполнении, серийный выпуск которых) отечественным машиностроением возрастает. При проектировании таких машин необходимо предусматривать режущие элементы и детали^ ходового механизма, повышенной износостойкости, более прочные детали и узлы машин в зонах концентрации напряжений. При расчете размеров сопрягаемых деталей нужно учитывать температурные изменения размеров деталей, так как перепад температур достигает 80—100°. Металлы, применяемые для изготовления машин, при температуре —60° С должны обладать достаточной, не ниже (20-^30) 104 Н-м/м2, ударной вязкостью. Сварные конструкции отечественных узлов изготовляют из низколегированных сталей, например, 09Г2С(М), 15ХСНД и т. п. При выполнении указанных требований обеспечивается достаточная надежность работы землеройных машин в северном исполнении при температуре до —50° С. Для успешной эксплуатации зимой обычных машин проводят подготовительные мероприятия. К ним относятся теплоизоляция и обогрев топливных баков и аппаратуры, смена смазочных масел и топлива на зимние марки, утепление кабины машиниста, установка аккумуляторных батарей. При использовании машин в северном исполнении или специально подготовленных коэффициенты их использования по времени установлены значительно меньшие, чем при нормальных условиях. § 13.1. Машины для разработки траншей и нарезания щелей в мерзлых грунтах Машины для рытья траншей и нарезания щелей разрабатывают мерзлый грунт резанием — снимая рабочими органами стружки небольшой толщины. Вследствие этого энергоемкость рабочего процесса получается большая, а производительность машин невысокая. Рис. 13.1. Схема нарезки щелей в толще мерзлого грунта:
Щели в мерзлом грунте нарезают для укладки кабеля, трубопроводов малого диаметра, а также для послойной разработки грунтов. В первом случае ширина щели определяется технологическими требованиями, во втором — она должна быть минимальной, так как нарезанные щели только разделяют массив на блоки (рис. h — глубина промерзания; d—шаг нарезки щелей
13.1), вследствие чего грунт можно удалять одноковшовым экскаватором. Размер блоков должен соответствовать размерам ковша экскаватора, а глубина прорези в сезонномерзлом грунте составляет не менее 0,7—0,8 от глубины промерзания. Ниже этого уровня прочность замерзшего грунта значительно уменьшается и обычно его можно разрабатывать экскаватором. При небольшой ширине щели средняя энергоемкость процесса в 3—5 раз меньшая, чем при разработке сплошного массива мерзлого грунта резанием. Основными рабочими органами для. нарезания щелей служат баровые устройства, дисковые и кольцевые фрезы. Схема баровой (врубовой) машины показана на рис. 13.2. В нее входят базовая машина 4, гидроцилиндр подъема 3, трансмиссия 2 и баровый рабочий орган 1. В качестве базовых машин используют тракторы с ходоумень-шителем (минимальная скорость — 30 м/ч) или цепные траншейные экскаваторы. С помощью гидропривода можно регулировать усилие прижатия резцов к забою. При наличии нескольких рабочих органов целесообразно устанавливать гидроцилиндры на каждый из них, что позволяет нарезать одну или несколько щелей одновременно. Рис. 13.2. Принципиальная схема баровой землеройной машины
Баровый рабочий орган состоит из рамы и бесконечной цепи со сменными резцами. Цепь опирается на часто установленные направляющие ролики, не дающие ей свободно провисать и позволяющие получить достаточное напорное усилие. Одним комплектом резцов можно нарезать щели длиной 800—1000 м. Быстрый выход из строя резцов и баровой цепи — один из важнейших эксплуатационных недостатков баровых машин. Принцип работы баровой машины подобен принципу работы цепного траншейного экскаватора. При движении цепи рабочий орган опускается на грунт и постепенно врезается до необходимой глубины. Разрушенный грунт выносится на поверхность цепью. В результате сочетания перемещения машины и движения цепи зубья срезают стружку и прорезают щель. К основным конструктивным параметрам баровых машин относят длину рабочего органа, ширину щели, скорости движения баровой цепи и перемещения машины, число одновременно прорезаемых щелей, максимальное тяговое усилие, усилие подъема (перевода в транспортное положение) и опускания (прижатия к забою) рабочего органа. Длину рабочего органа L принимают с учетом глубины прорезаемой щели Нщ, максимальной высоты приводной звездочки над поверхностью грунта Н0 и утла наклона (рис. 13.2): £ = (^m+^o) cos аб.    (13.1) Чем меньше утол аб, тем лучше использугется сцепной вес тягача для создания наибольших усилий подачи. Ширину нарезаемой щели Вщ задают в зависимости от технологического назначения машины. Для прокладки кабеля необходима щель шириной 0,23—0,3 м, для послойного же рыхления грунта — минимальной ширины (обычно 0,12—0,15 м). Ширина прорези одного резца b зависит от числа линий резания п: Ь=Вщ/п, (13.2)
где п принимают в пределах 5—9. Толщину стружки определяют, с одной строны, в зависимости от ширины резцов Ь: (13.3)
h — { 1,8 -г- 2,5) Ь, а с другой она зависит от скорости передвижения машины гично многоковшовым цепным экскава-торам (см. гл. 10). Отсюда определяют оптимальную скорость передвижения машины. Необходимое тяговое усилие анало-
13 3. Схема фрезерной машины:
^>таг==^Эп + -^пер>    (13.4) где Рп — необходимое усилие прижатия; 7?пер — суммарная сила сопротивления перемещению тягача. Скорость движения режущей цепи Ураб задают в пределах 0,6—2,3 м/с. Наиболее эффективны при резании мерзлых грунтов скорости 1—1,5 м/с. Мощность двигателя определяют так же, как и для многоковшовых цепных экскаваторов. 1 — гусеничный трактор, 2 — кронштейн; 3 — гидроцилиндр подъема^ 4 — фрезерный рабочий орган
Фрезерные машины создают на базе гусеничных тракторов или роторных траншейных экскаваторов. Их конструктивная схема, как и принцип работы, аналогичны роторным экскаваторам (рис. 13.3). Основным отличием является небольшая (до 270 мм) ширина отрываемой щели и небольшая по сравнению с диаметром фрезы глубина щели, которая ограничена условиями выноса разрушенного грунта на поверхность. При расчете фрезерных машин силу резания определяют как для элементарных режущих профилей (см. гл. 3), а мощность, необходимую для привода фрезы, — как мощность роторного много-ковшого экскаватора (см. гл. 10). Соотношение толщины стружки и ширины резца выбираются в тех же пределах, что и для баровых машин. Для уменьшения энергоемкости процесса целесообразно применять удлиненные резцы, что увеличивает объем скалывания грунта, уменьшая тем самым удельное усилие резания. По экспериментальным данным, оптимальная скорость резания диско-фрезерных машин находится в пределах 2,0—2,5 м/с. На эффективность буровых и фрезерных рабочих органов влияют скорости резания и подачи, геометрия зубьев и их рациональная расстановка. Резцы нужно устанавливать так, чтобы предыдущие обеспечивали последующим работу в условиях полублокированного Угол наклоьо резца '*5 -20 0 20 45 град

г
I
16
20
24
£
Рис. 13.4. Примеры расстановки резцов на цепных рабочих органах
или свободного резания. Примеры расстановки резцов на цепных рабочих органах показаны на рис. 13.^. В связи с разнообразными про