Машины строительного производства


И.А. Недорезов, А.Г. Савельев МАШИНЫ СТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА Учебное пособие
И.А. Недорезов, А.Г. Савельев МАШИНЫ СТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА Допущено УМО вузов РФ по образованию в области транспортных машин и транспортно-технологических комплексов в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по специальности «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» направления «Транспортные машины и транспортно-технологические комплексы»
Москва 2010
УДК 625.76.08 (075.8) ББК 39.311-06-5 Н42 Рецензенты'. заслуженный деятель науки и техники РФ, д-р техн. наук, профессор кафедры «Сервис дорожно-строительных машин» Московского автомобильно-дорожного института (Государственного технического университета) В. И. Баловнев; заслуженный деятель науки и техники РФ, д-р техн. наук, профессор кафедры «Дорожно-строительные машины» Московского автомобильно-дорожного института (Государственного технического университета) Э. Н. Кузин Недорезов И. А. Н42 Машины строительного производства: учеб. пособие / И. А. Недорезов, А. Г. Савельев. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2010. — 119, [1] с. : ил. ISBN 978-5-7038-3431-2 В учебном пособии изложены основы теории и проектирования, принципы действия, особенности расчета и конструкции основных видов современных СДМ с учетом условий их применения в строительстве. Рассмотрены основные виды СДМ по их технологическому назначению в общестроительных работах. Приведена систематизация условий применения СДМ в строительстве, а также рабочих сред, с которыми они взаимодействуют, прежде всего грунтов во всем их разнообразии. Для студентов вузов, изучающих дисциплину «Строительные и дорожные машины». УДК 625.76.08 (075.8) ББК 39.311-06-5 © Недорезов И. А., Савельев А. Г., 2010 © Оформление. Издательство МГТУ ISBN 978-5-7038-3431-2    им. Н. Э. Баумана, 2010 Предлагаемое учебное пособие построено на основе двадцатилетнего опыта преподавания курса «Строительные и дорожные машины» (СДМ) на кафедре «Подъемно-транспортные системы» Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана. Ограниченное время преподавания (в 11-м семестре 40 лекционных часов) при большом объеме и разнообразии материала потребовало более широких обобщений и усиления системного подхода к изложению курса. Эта задача решена путем рассмотрения основных видов СДМ по их технологическому назначению в общестроительных работах, а также с помощью систематизации условий применения СДМ в строительстве и рабочих сред, с которыми они взаимодействуют, и прежде всего грунтов различных видов. В учебном пособии впервые обобщены результаты анализа физико-механических свойств грунтов в условиях эксплуатации СДМ, что позволило дать статистическую оценку распределения грунтов по трудности их разработки и составить шкалу для расчета удельных сопротивлений резанию и копанию грунтов землеройными машинами. Полученные результаты представляют методический интерес для преподавания общих курсов СДМ. Предлагаемая методика расчета экономической эффективности СДМ на основе главного параметра машины, а также рассмотренные в данном учебном пособии вопросы унификации конструкций СДМ и их сертификации будут полезны для подготовки компетентных специалистов. Цель курса — ознакомление обучающихся с конструкциями, принципами действия, основами теории, расчета и проектирования различных видов современных СДМ с учетом условий их применения в строительстве. Материалы учебного пособия опираются на результаты НИР и ОКР, выполненных в НИИ транспортного строительства (ЦНИИСе), ВНИИстройдормаше, МАДИ, а также на отечественный и зарубежный опыт разработки и применения различных СДМ в транспортном строительстве. Учебное пособие «Машины строительного производства» к курсу «Строительные и дорожные машины» написано в соответствии с программой подготовки инженеров-конструкторов по специальности 170900 — «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины», дополняя базовую дисциплину ПТМ. Авторами учебного пособия являются И.А. Недорезов — заслуженный деятель науки и техники РФ, д-р техн. наук, профессор кафедры «Подъемно-транспортные системы» МГТУ им. Н.Э. Баумана и А.Г. Савельев — д-р техн. наук, професор кафедры «Производство и ремонт автомобилей и дорожных машин» МАДИ—ГТУ. Заведующий кафедрой «Подъемно-транспортные системы» МГТУ им. Н.Э. Баумана, доктор технических наук, профессор А.В. Вершинский Как отрасль машиностроения производство СДМ в нашей стране сформировалось в 1946 г., когда после окончания Великой Отечественной войны было образовано Министерство строительного и дорожного машиностроения (Минстройдормаш), в состав которого вошли до 200 заводов. Поставленные перед отраслью задачи выполнения в кратчайшие сроки огромных объемов работ по восстановлению разрушенного войной народного хозяйства, а также дальнейшего развития строительной индустрии требовали организации широкомасштабного производства строительной техники. И уже в 1954 г., к концу второй послевоенной пятилетки, отечественная промышленность выпустила почти 5 тыс. экскаваторов, более 3 тыс. скреперов, до 7 тыс. бульдозеров. Для сравнения — выпуск этих машин в США составлял примерно 10, 3,5 и 18 тыс. единиц соответственно. Всего заводами Минстройдормаша к тому времени производилось более 470 видов СДМ [1]. В связи с крайне сжатыми сроками первые отечественные СДМ создавались путем воспроизводства зарубежных образцов. Так, на Челябинском заводе дорожных машин имени Д.В. Колющенко (ЧЗК) был организован выпуск автогрейдеров Д-144 и скреперов Д-147. В дальнейшем СДМ в нашей стране производились серийно с высоким уровнем унификации. Основные виды СДМ выпускались тысячами (скреперы, автогрейдеры) и десятками тысяч (экскаваторы, бульдозеры). Головным научным центром отрасли стал ВНИИстройдормаш. Высокие темпы развития отрасли строительного и дорожного машиностроения оказались возможными благодаря успехам отечественной научной школы, сложившейся еще в довоенный период, которая опиралась в своей деятельности на классические труды выдающегося русского ученого академика Василия Прохоровича Горячкина — выпускника МВТУ 1894 г. Основоположниками науки в области СДМ стали профессор А.И. Анохин (автор первых учебников по дорожным машинам), в послевоенные годы заведовавший кафедрой дорожных машин СибАДИ; профессор Н.Г. Домбровский (теория расчета и проектирования экскаваторов), длительное время руководивший кафедрой строительных машин МИСИ, профессор А.Н. Зеленин (теория резания и разрушения грунтов), заведовавший кафедрой дорожных машин МАДИ. Научная деятельность этих ученых во второй половине прошлого века была успешно продолжена их учениками: в СибАДИ профессорами Н.А. Ульяновым, К.А. Артемьевым, Т.В. Алексеевой, И.П. Керовым; в МИСИ профессорами Д.Н. Волковым, В.А. Ряхиным; в МАДИ профессором В.И. Баловневым; в КИСИ профессором Ю.А. Ветровым; в ЛПИ профессором Н.Я. Хархутой; в ХАДИ профессором А.М. Холодовым; во ВНИИземмаше профессором Э.Н. Кузиным; в ЦНИИСе профессором Д.И. Федоровым, а в последующие годы — и их многочисленными учениками. Систематическая подготовка специалистов по СДМ с 1946 г. ведется в институтах автодорожного и строительного профиля, а в настоящее время — во многих вузах и средних технических учебных заведениях. Организовано регулярное издание технической и научной литературы по СДМ. Основными научно-техническими и производственными журналами по СДМ являются «Строительные и дорожные машины» (основан в 1956 г.), «Механизация строительства» (основан в 1939 г.), «Транспортное строительство» (основан в 1931 г.). В последний период развитие СДМ ведется с опорой на новейшие достижения науки и техники. В области машин для подготовительных работ — это создание мощных бульдозерно-рыхлительных агрегатов на базе гусеничных тракторов промышенного типа мощностью до 400 кВт и более для рыхления скальных, полускальных и мерзлых грунтов, а также эффективных бурильных машин для выполнения взрывных работ в условиях строительства. В области машин для земляных работ с начала 1960-х гг. отмечен переход к производству гидравлических одноковшовых экскаваторов, которые вытеснили канатные машины, особенно драглайны, игравшие еще в 1950-х гг. ведущую роль в строительстве. В 1960-е гг. появились скреперы с механизмами загрузки и первые вибрационные катки, сменившие катки статического действия. В машинные парки все больше стали поступать бульдозеры и скреперы, а также автогрейдеры, оснащенные гидроприводом, гидродинамическими трансмиссиями и системами автоматизированного управления с применением компьютеров (в 1980-х гг.), которые предназначены в том числе для контроля качества работ. В настоящее время используются и космические навигационные системы. В области машин для буровых и свайных работ, наряду с созданием мощных дизель-молотов и вибропогружателей, стали разрабатываться машины для устройства буронабивных свай, включая применение обсадных труб уже с 1950-х гг. Также налажен выпуск оборудования для строительства подземных сооружений способом «стена в грунте» под защитой бентонитовых растворов. В области машин для бетонных работ в 1960-х гг. появились первые автобетоносмесители для приготовления и транспортирования бетонных смесей, которые сейчас находятся в эксплуатации повсеместно. Для перемещения и укладки бетонных смесей на строительных объектах в 1970-е гг. был освоен трубный транспорт с бетононасосами. В то же время вместо поршневых пневмокомпрессоров начали применять винтовые. Здесь перечислены лишь основные этапы в развитии главных видов СДМ общестроительного назначения. СТРОИТЕЛЬНЫЕ И ДОРОЖНЫЕ МАШИНЫ И ИХ РАБОЧИЕ СРЕДЫ 1.1. Модель системы «СДМ — рабочая среда». Классификация СДМ по технологическому назначению Подъемно-транспортные машины применяются практически во всех отраслях хозяйства. СДМ эксплуатируются главным образом в строительстве. Кроме ПТМ, родственными для СДМ (рис. 1.1) являются сельскохозяйственные и мелиоративные машины (СХМ и ММ), а также горные машины (ГМ). В качестве базы для СДМ часто используются гусеничные и колесные тракторы промышленного типа, грузовые автомобили и тягачи (АиТ). Рис. 1./. Связь СДМ с ПТМ и родственными видами техники ПТМ при перемещении объектов (грузов), как правило, не изменяют их свойств. В отличие от ПТМ рабочие органы СДМ в процессе взаимодействия с рабочими средами разрушают, уплотняют, или перемешивают их, т. е. изменяют состояние рабочих сред и, следовательно, их физико-механические свойства. Характер такого взаимодействия отражают основные показатели режима нагружения СДМ, которыми являются математическое ожидание действующего усилия и функция его изменения, а также амплитудно-частотная характеристика, представляющие по своей природе случайные процессы. Обобщенная модель системы «СДМ — рабочая среда» приведена на рис. 1.2. Зная параметры СДМ и показатели их режима нагружения, можно определить основные эксплуатационные техни- Рис. 1.2. Обобщенная модель системы «СДМ — рабочая среда»: ПВ — процесс взаимодействия; PC — рабочая среда; PH - режим нагружения; П - производительность; Q — качество работы; Э — эффективность ко-экономические характеристики СДМ: область применения, производительность, экономическую эффективность, качество работы. В связи с широким разнообразием строительных работ номенклатура СДМ исчисляется сотнями наименований. Основные общестроительные СДМ можно классифицировать по их технологическому назначению в строительстве. Это машины для •    подготовительных работ (МПР); •    земляных работ (МЗР); •    буровых и свайных работ (МБур и СР); •    бетонных работ (МБР); •    добычи и переработки каменных материалов (МДиПКМ). Самым крупным классом являются машины для земляных работ. В составе указанных классов машин в учебном пособии рассматриваются наиболее представительные из современных СДМ: МПР — машины для очистки территорий от техногенных загрязнений, в том числе радиоактивного характера; машины для рыхления прочных и мерзлых грунтов (навесные тракторные и экскаваторные рыхлители); машина для бурения скважин под взрывные работы; МЗР — землеройные машины (гидравлические одноковшовые экскаваторы ^ траншеекопатели); землеройно-транспортные машины (бульдозеры, скреперы, автогрейдеры, грейдер-элеваторы); грунтоуплотняющие машины (пневмо- и виброкатки, трамбующие машины); машины для сооружения водоотводов и укрепления откосов насыпей и выемок; МБур и СР — машины для бурения скважин под буронабивные сваи; машины для погружения в грунт свайных элементов (молоты, вибропогружатели); МБР — автобетоносмесители, автобетононасосы, виброуплотнители; МДиПКМ — камнедробилки (щековые, конусные, валковые); одноковшовые погрузчики. 1.2. Рабочие среды СДМ Перечисленные выше СДМ взаимодействуют с такими рабочими средами, как грунты, каменные материалы, бетонные смеси. В состав последних входят цемент, щебень, песок, минеральные заполнители, являющиеся продуктами переработки определенных видов грунтов. Таким образом, грунты во всем своем многообразии представляют ту основную среду, в которой функционируют рабочие органы СДМ. Грунты — обобщенное наименование всех видов горных пород, образующих поверхностные слои Земли, разрабатываемых в строительстве. Именно эти слои в наибольшей степени подвергаются воздействию атмосферы и колебаний температуры воздуха и поэтому отличаются наибольшей разнородностью и изменчивостью своего состояния. По происхождению и прочности грунты делят на пять классов: •    скальные; •    полускальные; •    крупнообломочные; •    песчаные; •    глинистые. К скальным грунтам относятся самые прочные сцементированные горные породы с прочностью на одноосное сжатие не менее 50 МПа, практически несжимаемые и влагоненасыщаемые. Их прочность на сжатие может достигать 400 МПа (например, гранит). К полускальным грунтам также относятся сцементированные горные породы, но с прочностью менее 50 МПа (например, мел, сланцы). В отличие от скальных грунтов они впитывают влагу, теряя при этом прочность, и способны уплотняться под нагрузкой. Крупнообломочные грунты — это куски скальных или полускаль-ных грунтов, образовавшиеся при их технологическом рыхлении или в ходе геологических процессов. Песчаные грунты являются продуктами естественного разрушения скальных фунтов, состоят в основном из мелких несцементированных частиц размером 0,05...2 мм. Глинистые грунты — также продукты естественного разрушения и преобразования скальных (и полускальных) грунтов, но состоят в основном из самых мелких частиц размером менее 0,005 мм. СДМ в строительстве главным образом взаимодействуют с глинистыми и песчаными грунтами. Скальные и полускальные грунты предварительно рыхлят, превращая их в крупнообломочные. Глинистые и песчаные грунты имеют трехфазное состояние: минеральные частицы, вода и воздух, поэтому они отличаются наибольшей изменчивостью своих физико-механических свойств под воздействием различных факторов. Основным признаком физического состояния этих грунтов, определяющих их свойства, является гранулометрический состав, т. е. процентное содержание минеральных частиц различного размера. По размеру зерен (мм) эти минеральные частицы классифицируют: Глинистые.............................................Менее 0,005 Пыль .................................................0,005...0,05 Песок .................................................0,05...2,0 Гравий (окатанные частицы) или дресва (неокатанные) .... 2...20 Галька или щебень.....................................20...200 Валуны или камень ....................................Более 200 В зависимости от содержания самых мелких (и самых активных) глинистых частиц (%) грунты называются: Менее 3
Песок Супесь
10...30 Более 30
Суглинок Глина ...
Если в таких грунтах пыли больше, чем песчаных частиц, то к наименованию грунта добавляют слово «пылеватый». Если пыли более 70 %, то такие грунты имеют название лёсс. В практике строительства в нашей стране чаше всего встречаются суглинки. Из других показателей физико-механических свойств грунтов наибольшее практическое значение для работы СДМ имеют влажность, объемная масса, коэффициент разрыхления и особенно прочность. При замерзании глинистых и песчаных грунтов их прочность многократно возрастает. Влажность измеряется процентным соотношением массы воды к массе высушенного грунта, составляет 2—30 %. Она сильно влияет на такие свойства грунта, как прочность, объемная масса, липкость. С ростом влажности сила прилипания грунта к металлу может достигать 2,5 Н/см2. Объемная масса глинистых и песчаных грунтов колеблется в пределах 1,1...2,3 т/м3. Объемная масса скальных грунтов может достигать 3 т/м3. При разработке грунты разрыхляются, при этом увеличивается их объем в результате образования кусков и пустот. Коэффициент разрыхления грунтов составляет 1,1 —1,4. Таким образом, в кузов автосамосвала данной грузоподъемности может быть помещено различное количество грунта в зависимости от его объемной массы и коэффициента разрыхления, что необходимо учитывать. Производительность машин при разработке грунтов оценивают в плотном теле в состоянии его естественного залегания. 1.3. Классификация грунтов по трудности разработки и вариации прочности
/ Рис. 1.3. Ударник Союз-дорнии: 1 — ограничитель подъема груза; 2 — груз; 3 — направляющий стержень; 4— ограничитель паления груза; 5 —
Трудность разработки фунтов зависит от их прочности. Интегральная прочность грунтов наиболее просто оценивается по числу С ударов динамического плотномера (ударника) ДорНИИ (рис. 1.3), необходимых для погружения его наконечника в испытываемый грунт: наконечник длиной 10 см с площадью торца 1 см2 забивают в грунт падающим с высоты 0,4 м грузом весом 2,5 кг (энергия единичного удара 1 кГм или 10 Дж). На основе определения числа С А.Н. Зелениным предложена классификация грунтов по трудности разработки СДМ [2]. Шкала категорий трудности разработки фунтов построена им по геометрической прогрессии со знаменателем 2: с, = С,- 2'-', где / — категория трудности разработки грунта; С, — среднее число ударов плотномера для грунта 1 категории. Фрагмент шкалы приведен в табл. 1.1. Таблица 1.1 Классификация грунтов по трудности разработки (по А.Н. Зеленину) Категория фунта i Среднее значение С Здесь глинистые и песчаные грунты V категории и выше относятся к мерзлым грунтам, трудность разработки которых (и полу-скальных, и скальных) ввиду высокой трудоемкости применения ударника ДорНИИ удобнее оценивать по времени бурения 1 м шпура. Установлена достаточно тесная связь показателя прочности грунта по числу С с другими показателями прочности, например сопротивлением одноосному сжатию, МПа: ст0 = С/30, что подтверждает ранее установленную общую закономерность: если один материал прочнее другого по какому-либо одному параметру, то он прочнее его и по другому. На основе статистической обработки показателей прочности широкой гаммы грунтов получена общая зависимость коэффициента вариации прочности \J/t (\J/CT) от прочности грунтов I—V категорий (рис. 1.4), которая хорошо стыкуется с данными J1.H. Барона для горных пород и полезных ископаемых. Коэффициентом вариации случайной величины является отношение ее среднеквадратичного отклонения к математическому ожиданию. С повышением прочности грунтов 1—V категорий коэффициент вариации их прочности снижается примерно от 0,8 до 0,2. Однако для глинистых грунтов I—III категорий по мере их увлажнения данная зависимость носит противоположный характер (коэффициент \|/с уменьшается со снижением прочности таких грунтов). В связи с этим для грунтов 1—III категорий, имеющих при равной прочности различные значения \|/с ввиду разной природы прочности, могут потребоваться существенно разные объемы испытаний грунтов с за- Категория грунта Рис. 1.4. Изменение коэффициентов вариации *|/c(tyCT) прочности грунтов и горных пород в зависимости от прочности С(ст0): I — для крепких пород по Л.И. Барону; 2— для известняков по М.И. Гальперину; 3 — для горных пород и полезных ископаемых; 4 и 5 — для грунтов 1 и V категорий данной точностью и достоверностью. При этом следует заметить, что при высоких значениях коэффициентов вариации прочности (более 0,3) исключается использование нормального закона распределения и применяется логарифмически нормальный закон, когда нормально распределена не плотность вероятностей величин, а их логарифмы. Логарифмически нормальный закон в отношении прочности любых материалов является более общим, однако при малых значениях \|/ст(0,1 и менее, например для сталей) в расчетах удобнее применять нормальный закон. 1.4. Грунтовый фон эксплуатации СДМ в строительстве Изменение грунтовых условий эксплуатации СДМ в строительстве носит случайный характер, что требует вероятностного подхода к оценке распределения грунтов по трудности разработки — грунтового фона эксплуатации СДМ, знание которого необходимо при проектировании СДМ, определении выпуска сменного оборудования, прогнозировании технико-экономической эффективности СДМ и решении ряда других задач. Вероятностная оценка грунтовых условий работы СДМ (табл. 1.2) проведена на основе статистического анализа массива экспериментальных данных, полученных в ЦНИИСе во время испытаний СДМ на строительных объектах в различных районах СССР, что позволило учесть разновидности грунтов широкого диапазона, относящихся по трудности разработки к I—V категориям. Таблица 1.2 Оценка грунтовых условий работы СДМ Характеристика Влажность грунта,% Объемная масса грунта Д,т/м3 Диапазон изменения Математическое ожидание Объем выборки В итоге было получено распределение грунтов по трудности их разработки в строительстве (табл. 1.3). Таблица 1.3 Распределение грунтов по трудности разработки Категория фунта Среднее значение С Вероятность появления Такое распределение может быть аппроксимировано логарифмически нормальным законом распределения (рис. 1.5), которое, как было отмечено, является общим и для распределения прочностных показателей различных материалов. Знание закона распределения прочностных показателей грунтов в забоях, а также закономерностей изменения коэффициента вариации этих показателей в зависимости от величины прочности грунтов, позволяет построить номограмму для определения необходимых объемов измерений их прочности с заданной точностью и достоверностью. Можно составить характеристику некоторого условного «среднего» грунта, разрабатываемого в строительстве: Рис. 1.5. Распределение грунтов I—V категорий по трудности разработки в строительстве (логарифмически нормальный закон)
Число С............................................9 Прочность на одноосное сжатие, МПа................0,3 Влажность, % ...................................... 15 Объемная масса, т/м3 ............................... 1,85 Коэффициент трения грунта по грунту............... 1,0 Коэффициент трения грунта по стали ................0,7 Величины математического ожидания числа С = 9 и А = 1,85 т/м3 характеризуют некоторые средние грунтовые условия работы СДМ на границе грунтов II—III категорий. Исходя из данных А.Н. Зеленина, при влажности примерно 15 % такие показатели характерны для грунтов типа средних суглинков. Эти данные рекомендуется использовать как наиболее вероятные при расчетах СДМ (землеройных машин) и выборе места для проведения их сравнительных испытаний. 1.5. Общие требования к расчету СДМ Общие требования к расчету СДМ изложены на основе разработанного во ВНИИстройдормаш руководящего нормативного документа (РД) [3], распространяющегося на одноковшовые экскаваторы, бульдозеры, тракторные рыхлители (бульдозерно-рыхлительные агрегаты), скреперы, одноковшовые погрузчики, автогрейдеры, манипуляторы бетононасосов. Расчет машины производится в целях обеспечения ее прочности в рабочем и нерабочем состояниях. Рабочим считают состояние, в котором машина или ее части производят работу или перемещаются с помощью собственных механизмов. Расчет машины должен содержать проверки: •    прочности металлоконструкций и механизмов на однократное действие наибольших нагрузок; •    устойчивости против опрокидывания; •    на усталость элементов металлоконструкций и механизмов. Исходные данные для расчета должны соответствовать параметрам, указанным в конструкторской и эксплуатационной документации на машину, входящую в перечень РД. При этом для обеспечения прочности необходимо, чтобы выполнялось неравенство где К — коэффициент перегрузки для данной машины; о — напряжение (нормальное или касательное) от действующих нагрузок, МПа; /?р — расчетное сопротивление, МПа, равное меньшему из двух значений: 0,8 от предела текучести или 0,5 от предела прочности; т0 — коэффициент условий работы, определяемый по формуле т0 = т{т2, в которой т{ — коэффициент ответственности для данной машины (в неоговоренных случаях равный 1); т2 — коэффициент, учитывающий особенности работы и полноту расчета элемента конструкции (равный или менее 1). Для исключения усталостного разрушения обязательно выполнение неравенств где ап, хп — нормальное и касательное напряжения, приведенные к симметричному циклу, МПа; Rv, Rvs — расчетные сопротивления усталости соответственно при растяжении, сжатии, изгибе, сдвиге, МПа. Расчетное напряжение, МПа, в элементе определяется по формуле где N — расчетное число циклов; Кр, К{ — коэффициенты, учитывающие особенности нагружения данного типа машины; а, — на-
пряжение в элементе, МПа; т — показатель кривой усталости (от 8,0 до 3,0). Величина Qj вычисляется по формуле: а, = л(аа + где Г) — коэффициент режима нагружения, принимается в зависимости от т и г, рассчитываемого как '    9 M3(CFmax - °min> \jfc — коэффициент чувствительности к асимметрии цикла напряжений; <за и Gm — соответственно амплитуда и среднее значение рассматриваемого цикла напряжения, МПа, определяемые по формулам G а 0,5((Tmax — ^min^’ <*т = 0’5^шах + °min>- В этих равенствах Gmax, omin соответственно наибольшее и наименьшее значения напряжений в рассматриваемом элементе. Эти значения принимаются с учетом знаков: растяжение + (плюс), сжатие — (минус). Допускается, что \|/а = 0,2 при агп > 0 и \j/o = 0 при аот < 0. Значения хп определяются по аналогичным формулам с заменой а на т. Контрольные вопросы 1.    Когда в нашей стране была создана отрасль строительного и дорожного машиностроения? 2.    Назовите родственные специальности для СДМ. 3.    Назовите виды основных СДМ общего назначения. 4.    Что является основной рабочей средой для СДМ? Почему? 5.    Что такое грунты? Как их классифицируют? Назовите основные физикомеханические показатели свойств грунтов, как объекта взаимодействия с СДМ. 6.    Что позволяет определять обобщенную модель системы «СДМ — рабочая среда»? 7.    Каким экспресс-методом оценивают грунты по трудности разработки? 8.    Что такое грунтовый фон эксплуатации СДМ в строительстве? Какое значение он имеет? Глава 2 МАШИНЫ ДЛЯ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ РАБОТ Машины для подготовительных работ предназначены для очистки территорий, подлежащих застройке, а также для предварительного рыхления тяжелых грунтов (мерзлых, скальных, полускальных) в целях подготовки их к разработке, т. е. выполнению собственно земляных работ. Эти машины или навесное оборудование могут иметь буквы ДП в обозначении модели. 2.1. Машины для очистки территорий Для очистки территорий применяют бульдозеры, а также мелиоративные машины (кусторезы и корчеватели), которые выполняются в виде сменного оборудования к бульдозерам класса тяги 100 кН (Ют). Они предназначены для срезки за один проход кустарника и мелких деревьев с диаметром стволов до 20 см, а также корчевания пней. Кроме освобождения территорий от растительности, камней и других объектов, препятствующих началу строительных работ, в последние годы вследствие аварий и катастроф техногенного характера актуальной стала проблема удаления загрязненных слоев грунта, в том числе подвергнутых радиоактивному заражению и заросших растительностью. Это обусловливает необходимость создания специальной техники, способной снимать верхний слой закустаренно-го грунта, измельчать и загружать полученную грунтодревесную массу в транспортное средство для доставки на место последующей очищающей переработки или захоронения. До настоящего времени подобные машины практически отсутствуют, за исключением нескольких малогабаритных моделей. Для решения указанной задачи ЦНИИС совместно с фирмой «Транстехновация» разработали самоходный грунтозаборник производительностью по грунтодревесной массе более 100 т/ч, обеспечивающий снятие слоев грунта на глубину 5...20 см с отслеживанием рельефа местности при закустаренности поверхности до 10 % и наличии деревьев с диаметром стволов до 4 см. Размер измельченных древесных включений составляет не более 10 см. Машина (рис. 2.1) Рис. 2.1. Схема грунтозаборника для снятия загрязненного слоя грунта (разработка ЦНИИС): 1 — отвал бульдозера; 2 — гусеничный трактор; 3 — отбойная плита; 4 — фреза; 5 — шнек; 6 — подъемный элеватор; 7— зачистной нож; 8 — сепаратор; 9 — ленточный конвейер выполнена в виде полуприцепного оборудования к гусеничному бульдозеру тягового класса 100 кН. Отвал бульдозера обеспечивает предварительное пригибание кустарника к поверхности грунта. Базовый трактор оснащается ходоуменыиителем, снижающим рабочую скорость до 150...750 м/ч. Кабина оборудована системой кондиционирования воздуха. В качестве фунторазрабатывающего рабочего органа применена фреза с плоскими косо установленными ножами, взаимодействующая с противорежущим ножом отбойной плиты по типу рабочего оборудования мелиоративных машин. Шнек использован как грунтозаборный орган для подбора и загрузки в ковшевой элеватор измельченной массы грунта и древесины. Непосредственно за шнеком установлен зачистной нож. В верхней части элеватор оснащен ленточным отвальным поворотным конвейером с сепаратором для подачи грунтодревесной массы на высоту до 2,8 м в транспортные средства с обеих сторон. Гидропривод обеспечивает бесступенчатое регулирование рабочих скоростей фрезы, шнека и машины при рабочем передвижении, а также защиту механизмов от перефузок. Все рабочие органы закрыты кожухами. Во избежание пыления при работе в конструкции машины предусмотрено устройство для увлажнения зон пылевыделения. 2.2. Машины для рыхления прочных и мерзлых грунтов Рыхление прочных (скальных, полускальных) и мерзлых грунтов, т. е. превращение их в крупнообломочные, наиболее эффективно осуществляется механически с помощью навесных рыхлителей: тракторных рыхлителей (бульдозерно-рыхлительных агрегатов) или экскаваторных. Если область применения навесных тракторных рыхлителей — земляные работы больших объемов, выполняемые на свободных пространствах, то применение экскаваторных рыхлителей целесообразно при земляных работах в стесненных условиях. Навесные тракторные рыхлители монтируют на заднюю часть базовых тракторов тяжелых и сверхтяжелых бульдозеров (обычно тягового класса не ниже 200 кН), образуя таким образом бульдозер-но-рыхлительные агрегаты (рис. 2.2). Рабочим органом является стойка с рыхлящим зубом с износостойким наконечником. Кроме Рис. 2.2. Булъдозерно-рьшштельный агрегат: 1 — звено регулирования угла резания; 2 — гидроцилиндры заглубления и подъема рабочего органа; 3 — поперечная балка; 4—5 — элементы крепления стойки; 6 — стойка с зубом; 7 — тяговая рама рыхлителя одностоечных имеются конструкции рыхлителей с тремя и пятью стойками. Параллелограммный механизм подъема и опускания (заглубления) рабочего органа с помощью гидропривода обеспечивает его вертикальные перемещения, сохраняя заданный угол резания (рыхления). При необходимости этот угол можно изменять, используя гидроцилиндры, расположенные вверху параллелограмма. Заглубление рабочего органа в грунт у тяжелых и сверхтяжелых машин может достигать 1,6 м, а масса агрегата — 100 т. Рыхление грунта осуществляется последовательно продольными и поперечными проходами рыхлителя, а перемещение разрыхленного грунта — отвалом бульдозера. Согласно РД ВНИИстройдормаша [3], при оценке прочности рыхлительного оборудования на стадии технического проекта допускается определять горизонтальную нагрузку Рг на зуб одностоечного рыхлителя по формуле: где Т — номинальное тяговое усилие базового трактора, кН, принимаемое по его тяговой характеристике при рыхлении на наибольшую глубину при скорости 1,5 км/ч, а в начале заглубления — при скорости 2,5 км/ч; КЛ — коэффициент динамики для тракторов с механической трансмиссией принимается равным 2,5, с гидромеханической — 1,5 при наибольшей глубине рыхления; в начале заглубления 2,0. Вертикальная нагрузка на зуб Рв определяется по формуле: />в = Prtg(±30°). Рис. 2.3. Навесной экскаваторный рыхлитель в работе При расчете рыхлителей принимается коэффициент перегрузки К = 1,2. Разработка тяжелых грунтов с применением тракторных рыхлителей наиболее предпочтительна, однако эффективное применение этих высокопроизводительных и дорогих машин невозможно в стесненных условиях, когда рациональным становится использование навесных рыхлителей на одноковшовых экскаваторах (например, в городских условиях). Рабочим органом таких рыхлителей является мощный гидро- или пневмомолот с зубом, навешиваемым на рукоять экскаватора с оборудованием обратной лопаты вместо ковша (рис. 2.3).    • 2.3. Бурильные машины для подготовки к взрывным работам В сложных условиях строительства для рыхления тяжелых грунтов иногда необходимо проведение взрывных работ, например, в горной местности при проходке пионерных трасс или в каменных карьерах. В любом случае такие работы связаны с проблемами экологии, обеспечения безопасности их выполнения, а также с различными ограничениями и дополнительными сложностями, неизбежно приводящими к удорожанию строительства. Наиболее трудоемкими работами при взрывном способе рыхления прочных грунтов является бурение по заданной схеме скважин для закладки в них зарядов взрывчатых веществ. Бурильные машины для подготовки взрывных скважин применительно к условиям строительства должны отвечать следующим основным производственно-технологическим требованиям: мобильность и высокая проходимость; автономность энергопитания; надежность работы при низких температурах окружающей среды; очистка скважин от шлама сжатым воздухом; максимальная механизация работ по выполнению всех технологических операций; очистка отработанного воздуха от пыли. Примером эффективной конструкции бурильной машины для устройства взрывных скважин может служить самоходная машина шарошечного бурения типа СБШ-160 (рис. 2.4), созданная в системе транспортного строительства по проекту ПКБ Главстроймехани-зации Минтрансстроя (главный конструктор Румянцев Р.А.). Базой является гусеничный гидрофицированный трактор тягового класса 10 т. Машина предназначена для бурения взрывных скважин диаметром до 160 мм, глубиной до 32 м в грунтах до X категории. Машина общей массой 25,5 т оснащена следующими механизмами с гидроприводом: Рис. 2.4. Бурильная машина СБШ-160 для взрывных работ: 1 — противовес; 2— базовый трактор; 3 — буровая рама; 4 — опорные гидродомкраты; 5 — шарошечное долото; 6 — ресивер; 7— гидробак; 8 — приводное кассетное устройство для свинчивания и развинчивания штанг; 9— врашательно-подающий механизм; 10 — пылеподавляющая установка; 11 — компрессорно-генераторная установка вращения шарошечного инструмента с частотой 0...150 об/мин; подачи инструмента на забой с усилием до 150 кН; продувки скважины от винтового компрессора, расположенного в передней части двигателя трактора; очистки технологического воздуха от пыли; позиционирования базы относительно горизонтальной поверхности; наклона бурового оборудования; свинчивания и развинчивания штанг бурового става. Кроме вертикального, обеспечивается наклонное бурение под углом до ±30° к вертикали; производительность зависит от прочности грунта, составляет в среднем 60...70 м скважин в смену. Машина нашла широкое применение не только в транспортном строительстве, но и в других областях строительства. Контрольные вопросы 1.    Назовите основные виды СДМ для подготовительных работ. Каково их назначение? 2.    Опишите конструкцию и принцип действия машины (грунтозаборника) для очистки загрязненных территорий. 3.    Опишите устройство и область применения бульдозерно-рыхлительных агрегатов. 4.    Опишите устройство и область применения навесных экскаваторных рыхлителей. 5.    Назовите основные механизмы машины для бурения взрывных скважин в строительстве и их назначение. Глава 3 МАШИНЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ 3.1. Назначение и виды машин для земляных работ Машины для земляных работ (МЗР) относятся к самому крупному классу строительных машин. С их помощью осуществляется комплексная механизация наиболее тяжелых строительных работ по выемке, перемещению, укладке, уплотнению и планировке грунтовых масс. Стоимость МЗР составляет примерно 1/3 общей стоимости машинного парка строительства. Значение этих машин определяется масштабами земляных работ и их высокой энергоемкостью. В конце 80-х годов прошедшего столетия общий объем земляных работ в СССР приближался к 25 млрд м3 (с учетом горнодобывающей промышленности). Только в транспортном строительстве ежегодный объем земляных работ достигал 0,5 млрд м3, до 15 % которого приходилось на работы, выполняемые в мерзлых, полускальных и скальных грунтах. По назначению МЗР можно разделить на следующие виды: •    землеройные машины (ЗМ); •    землеройно-транспортные машины (ЗТМ); •    грунтоуплотняющие машины (ГУМ); •    машины для сооружения водоотводов и укрепления откосов (МСВиУО). Землеройные машины предназначены в основном для отделения грунта от массива. Дальность перемещения грунта у них ограничена размерами рабочего оборудования. Это прежде всего одноковшовые экскаваторы (ЭО), экскаваторы-траншеекопатели (ЭТ). При перемещении разработанного грунта на большие расстояния ЭО работают совместно с транспортными средствами (обычно с автосамосвалами). Землеройно-транспортные машины, к которым относятся бульдозеры и скреперы, наряду с отделением грунта от массива (процессом копания) обеспечивают транспортирование его на достаточно большие расстояния. Бульдозеры могут эффективно перемещать грунт на расстояние до 80 м, а скреперы — до 2 км и более. Грунтоуплотняющие машины повышают плотность грунтов, разрыхленных при разработке и уложенных в тело земляного сооружения (насыпи, дамбы и т. п.), до нормативных уровней. К этим машинам относятся катки и трамбующие машины. К виду МСВиУО относятся специальные машины для устройства водоотводных канав (кюветов, нагорных канав), называемые канавокюветокопателями, а также машины для укрепления откосов насыпей и выемок. При выполнении земляных работ ЗМ и ЗТМ цикличного действия, к которым относятся одноковшовые экскаваторы, бульдозеры, скреперы, последовательно осуществляют три технологические операции: копание грунта, перемещение его с разгрузкой и холостой ход. Машины непрерывного действия (экскаваторы-траншеекопатели, грейдер-элеваторы, автогрейдеры) операции копания и перемещения грунта выполняют одновременно, а холостой ход у них отсутствует. При прочих равных условиях более высокой интенсивностью рабочих процессов обладают машины непрерывного действия (рис. 3.1). Следует отметить три основных пути интенсификации рабочих процессов ЗМ и ЗТМ: увеличение объема фунта, отделяемого рабочим органом от массива за цикл или единицу времени; повышение скорости движения рабочего органа; снижение потерь фунта в процессе копания и транспортирования. Наряду с ростом единичной мощности машин, автоматизации управления ими, одним из основных путей интенсификации рабочих процессов является совершенствование рабочих органов на основе анализа процессов их взаимодействия с грунтом. Однако при Рис. 3.1. Зависимость объема грунта Q от времени / разработки: а — ЗТМ циклического действия; б — ЗТМ непрерывного действия; Тц — время цикла, /к — время копания, /т — время транспортирования, txx — время холостого хода, (?пт — потери при транспортировании этом должен учитываться весь комплекс производственно-техноло-гических требований к рабочему органу и машине в целом с учетом реальных условий ее эксплуатации на основе технико-экономических показателей. Анализ тенденций развития рабочих органов ЗМ и ЗТМ показывает, что в обозримой перспективе они останутся механическими системами, осуществляющими разрушение грунтов в целях их разработки по принципу резания. Поэтому вопросы определения и обоснования наиболее целесообразных путей интенсификации рабочих процессов ЗМ и ЗТМ должны решаться на основе познания и использования закономерностей процессов резания и копания грунтов. При этом, если под процессом резания грунта понимают только его послойное отделение от массива, то процесс копания значительно сложнее, так как кроме резания, лежащего в его основе, копание включает в себя процесс заполнения рабочего органа фунтом и другие сопровождающие его явления, прежде всего — образование призмы волочения. В соответствии с международным стандартом ГОСТ Р ИСО 6165—99 «Машины землеройные. Классификация. Термины и определения» МЗР по принципу действия подразделяются на такие подгруппы: экскаватор-погрузчик, землевоз, экскаватор, автогрейдер, уплотняющая машина, погрузчик, трубоукладчик, каток, скрепер, бульдозер, траншеекопатель. В данном стандарте установлены следующие определения для идентификации рассматриваемых машин: землеройная машина — самоходная или прицепная машина на гусеничном, колесном или шагающем ходу с рабочим или дополнительным оборудованием (рабочим органом), предназначенная главным образом для выполнения работ по выемке, рыхлению, погрузке, транспортированию, распределению, уплотнению грунта и других материалов, а также прокладыванию траншей; бульдозер — самоходная колесная или гусеничная машина с рабочим оборудованием для срезания, перемещения и распределения материала за счет движения машины вперед или используемом для напорного усилия; погрузчик — самоходная гусеничная или колесная машина с фронтальным рабочим оборудованием, предназначенная главным образом для погрузочных операций (использование ковша); экскаватор — самоходная машина на колесном, гусеничном или шагающем ходу, имеющая поворотную верхнюю часть с рабочим оборудованием, предназначенным главным образом для копания грунта без перемещения ходовой части в течение рабочего цикла; траншеекопатель — самоходная колесная или гусеничная машина с установленным сзади рабочим оборудованием (обычно цепным или роторным), предназначенным для прокладки траншей при непрерывном движении машины; скрепер — самоходная колесная машина, имеющая открытый ковш с режущей кромкой, установленный между передней и задней осями, который срезает, загружает, транспортирует, выгружает и распределяет грунт при движении вперед. Загрузке ковша может способствовать имеющийся в конструкции машины механизм (элеватор, шнек); автогрейдер — самоходная колесная машина с регулируемым в пространстве отвалом, расположенным внутри колесной базы, и дополнительными рабочими органами; каток — самоходная машина с уплотняющими вальцами различного вида для уплотнения фунта и других материалов путем укатывания или вибрационного воздействия. 3.2. Процессы резания и копания грунтов. Оценка их энергоемкости Под резанием грунта понимают его послойное отделение от массива клиновым рабочим органом в целях разработки. В «чистом» виде как рабочий процесс ЗМ или ЗТМ почти не наблюдается (за исключением рыхления). В большинстве случаев рабочие органы этих машин производят захват срезанного грунта (все рабочие органы машин цикличного действия) или подают срезанный грунт на транспортирующее устройство (машины непрерывного действия). Во всех этих случаях процесс резания фунта сопровождается образованием призмы волочения грунта перед рабочим органом, а также другими явлениями, препятствующими дальнейшему перемещению грунтовой стружки, например, в ковш или на транспортирующее устройство. Совокупность этих явлений, в основе которых лежит процесс резания, называют копанием грунта. Все многообразие рабочих органов ЗМ и ЗТМ может быть сведено к четырем схемам: ножи, отвалы, ковши и ножи с поверхностями подъема фунта. Копание фунта рабочими органами всех ЗМ и ЗТМ выполняется аналогично (рис. 3.2). При установившемся процессе копания грунтовая стружка, отделенная от массива в результате резания, перемещается по поверхности рабочего органа под призмой волочения (у отвальных рабочих органов) или внутри рабочего органа (ковша) сквозь массу захваченного грунта. Таким образом, сопротивление копанию Р, кН, состоит из трех основных слагаемых: Рис. 3.2. Схемы процессов резания и копания грунта рабочими органами землеройных машин: а — нож; б — отваа; в — ковш; г — нож с поверхностью подъема грунта р= рр + рп + где Рр — сопротивление резанию; Рп — сопротивление перемещению призмы волочения; Рс — сопротивление перемещению стружки под призмой волочения или внутри рабочего органа. Аналитически сопротивление резанию можно определить из схем, приведенных на рис. 3.3, т. е. в зависимости от фунтовых условий и параметров ножа на основе одного из двух возможных процессов разрушения грунта при резании — сдвига или отрыва.
а    б Рис. 3.3. Процесс резания грунта с деформациями сдвига (а) и отрыва (б): ] — тело сдвига, 2 — нож Если усилие Р отнести к площади поперечного сечения срезаемого слоя фунта ВИ, где В — ширина, h — глубина резания (копания), то это уравнение в величинах удельных сопротивлений запишется, МПа, К' = К + КП + Кс, где К' — удельное сопротивление копанию; К — удельное сопротивление резанию; Кп — удельное сопротивление перемещению призмы волочения; Кс — удельное сопротивление перемещению грунтовой стружки. В зависимости от конструкции и параметров рабочих органов соотношения этих слагаемых изменяются. Чем меньше доля Кп и Кс в общем балансе сопротивлений, тем энергетически более совершенен рабочий орган (при прочих равных условиях). Для отвальноковшовых рабочих органов доля этих слагаемых в общей величине К' может составлять от 30 до 70 % в зависимости от прочности грунта. Параметр К' широко используется при расчетах, испытаниях и исследованиях ЗМ и ЗТМ. Нетрудно показать, что удельное сопротивление копанию грунта К1, МПа или кН/м2 эквивалентно энергоемкости процесса копания Е, кДж/м3, т. е. затратам энергии на разработку единицы объема грунта. Однако показатель К1 не может служить общим и, тем более, единственным критерием технико-экономической эффективности оцениваемого образца машины. В качестве такого критерия необходимо использовать показатели более высокого уровня. 3.3. Шкала удельных сопротивлений резанию и копанию грунтов Научное обоснование трудности разработки грунтов СДМ остается актуальной проблемой, в основе решения которой лежит информация об удельных значениях сопротивлений резанию и копанию грунтов, определяющие не только нагрузки на рабочие органы, но и энергоемкость рабочих процессов, а, следовательно, и производительность машин. Впервые значения удельных сопротивлений резанию и копанию грунтов были получены Н.Г. Домбровским в результате широкомасштабных испытаний одноковшовых и многоковшовых экскаваторов различных типоразмеров и лабораторных исследований, проводившихся с 1937 г. Это позволило установить предельно необходимые нагрузки рабочих органов ЗМ [4]. Однако, как отмечал Н.Г. Домбровский, «...для назначения технически обоснованной нормы выработки землеройной машины использование опубликованных данных полевых испытаний недостаточно. Поэтому необходим простой способ определения трудности разработки грунта, а проблема классификации грунтов по трудности их разработки ...не может считаться разрешенной и требует дальнейших исследований». Наиболее простой и пригодной для практических целей является классификация грунтов по трудности их разработки, предложенная А.Н. Зелениным на основе интегральной оценки прочности грунтов по числу С [2]. При этом величины удельных сопротивлений резанию грунтов им не приведены, а показана лишь пропорциональная связь усилий резания и значений числа С. Результаты многолетних испытаний землеройных машин и экспериментальных работ, выполненные различными исследователями, позволили провести их статистические обобщения [5], итоги которых по величинам К и К' приведены в табл. 3.1 для наиболее распространенных в строительстве грунтов I—IV категорий. Таблица 3.1 Сравнение удельных сопротивлений резанию К и копанию К' грунтов Категория грунта / Число С К, МПа К', МПа 0,011-0,044 0,039-0,113 0,055-0,088 0,135-0,193 0,100-0,165 0,211-0,312 0,176-0,374 0,328-0,584 По данным Н.Г. Домбровского для одноковшовых экскаваторов [4] К, МПа К', МПа 0,012-0,065 0,018-0,120 0,058-0,130 0,070-0,250 0,120-0,200 0,160-0,400 0,180-0,300 0,220-0,490 Диапазон колебания значений К и К', относящихся к одной категории грунта, отражает изменчивость их физико-механических свойств, а также вариации параметров конструкций однотипных рабочих органов. Приведенные в табл. 3.1 экспериментальные данные позволяют сделать следующие выводы: •    полученные статистические значения средних удельных сопротивлений грунтов резанию К прямо пропорциональны соответствующим значениям числа С, изменяясь по геометрической прогрессии со знаменателем 2 к, = КГ 2'-‘, что подтверждает заключение А.Н. Зеленина [2]; •    статистические значения средних сопротивлений грунтов копанию К' отвально-ковшовыми рабочими органами изменяются нелинейно в зависимости от категории трудности разработки грунта также по геометрической прогрессии, но со знаменателем 1,7 что отражает влияние общего фактора — сил трения от перемещения призмы волочения и движения грунтовой стружки при заполнении рабочего органа грунтом; •    полученные статистические значения величин К и К' достаточно хорошо согласуются с данными Н.Г. Домбровского [4], полученными по результатам их прямых измерений во время экспериментов и испытаний одноковшовых экскаваторов. На основе статистической обработки результатов экспериментальных исследований процессов резания и копания грунтов была сформирована единая обобщенная шкала удельных сопротивлений грунтов резанию и копанию для следующих характерных видов рабочих органов СДМ (табл. 3.2): •    прямые широкие ножи (ножи отвалов бульдозеров, автогрейдеров, ковшей скреперов, планировщиков); •    узкие вертикальные ножи, осуществляющие глубокое разрезание грунтового массива (ножи кабелеукладчиков, дренажных машин); •    отвально-ковшовые органы (бульдозеров, скреперов, экскаваторов). Таблица 3.2 Шкала удельных сопротивлений резанию и копанию грунтов, МПа Категория фунта, / Среднее число С Среднее значение /Г, Среднее значение К2 Среднее значение К' В основу этой шкалы положена геометрическая прогрессия вида к,(КГ) = к,(к;)Г\ где j — знаменатель прогрессии, равный 2 или 1,7, аналогичной прогрессии А.Н. Зеленина С, = Cj-2'-1. Зависимости удельных сопротивлений резанию и копанию грунтов, а также их сопротивлений одноосному сжатию и растяжению от интегрального показателя прочности фунта по числу С приведены на рис. 3.4. Из графиков следуют соотношения, наблюдаемые во всем диапазоне фунтовых условий: К2 > а0 > К' > К] > стр. Чем ближе величина К или К' к значению ар, тем рациональнее процесс взаимодействия рабочего органа машины с грунтом и совершеннее его конструкция. Рис. 3.4. Изменение удельных сопротивлений резанию Кн копанию К' грунта в зависимости от его прочности С: 1 — резание широкими ножами; 2— резание узкими вертикальными ножами; 3 — копание отвально-ковшовыми рабочими органами; а0 — удельное сопротивление одноосному сжатию; СТр — удельное сопротивление разрыву Закономерности изменения средних величин Км К' (см. табл. 3.2) могут быть аппроксимированы с помощью следующих выражений: для широких ножей Kf = 0,33 • 2/—1; для узких вертикальных ножей Ki = 0,466-1 J'-1; для отвально-ковшовых рабочих органов К! = 0,091-I,?'-1. 3.4. Обобщенная математическая модель производительности СДМ Производительность является важнейшим показателем техникоэкономической характеристики СДМ. Различают три категории производительности: расчетную (теоретическую или конструктивную), техническую и эксплуатационную [6], которые далее рассматриваются на примере ЗМ и ЗТМ цикличного и непрерывного действия. Расчетная производительность машины цикличного действия П, м3/ч, определяется на стадии разработки конструкторской документации П = 3600 —, где q — геометрическая вместимость рабочего органа, м3; Гр — расчетное время цикла, с. Техническая производительность машины цикличного действия Пт, м3/ч, учитывает конкретные производственные условия: Пт = 3600 | КпкК„„, где Q — объем грунта в плотном теле, отделенный рабочим органом от массива, м3; Т — время цикла, с; Кик и — коэффициенты, учитывающие потери грунта при копании и перемещении (А^ и 1), причем Пт< П. Эксплуатационная производительность Пэ учитывает простои машины (кроме простоев по организационным причинам): Пэ = П ткъ, где Кв < 1 — коэффициент использования машины по времени, а пэ < пт. На основе анализа энергоемкости рабочего процесса ЗМ или ЗТМ цикличного действия может быть создана обобщенная математическая модель производительности, отражающая параметры машины и рабочей среды (грунта), а также условия эксплуатации. Время цикла Т, с, машины состоит из трех главных слагаемых: где tK — время копания; Гп — время перемещения грунта; — время холостого хода. Время t, с, каждого слагаемого цикла выражается через энергоемкость как где А — работа, выполняемая за данную часть цикла, кДж; N — мощность двигателя машины, кВт; Г| — КПД привода машины; т — коэффициент использования мощности в данной части цикла. Ориентировочно можно принимать тк = тп = 1; = 0,5. Работа копания Ак, кДж, с учетом работы перемещения машины на пути копания вычисляется по формуле: Лк = K'Q + GJJ„ где К' — удельное сопротивление грунта копанию (энергоемкость), кН/м2; (jrM — вес машины, кН; fM — коэффициент сопротивления перемещению машины; /к — путь копания, м, определяется как Оси/™ - Gu/m где <7СЦ — сцепной вес машины, кН;^ц — коэффициент сцепления движителей с грунтом. Тогда после преобразований получаем А _ v> rt    ^ Ак - К Q -, а/cu - /„ где а = <?сц/См. Работа перемещения грунта и машины к месту разгрузки АП, кДж, рассчитывается по формуле: QKпк(1 + ^пп) АП = -2- ALf[ + где А — объемный вес фунта в плотном теле, кН/м3; L — дальность перемещения грунта, м; /, — коэффициент сопротивления перемещению грунта. Работа перемещения машины холостым ходом А^ кДж, выражается зависимостью: Лхх = <Wm- После соответствующих подстановок в исходную формулу технической производительности Пт, м3/ч, ее математическая модель может быть получена в обобщенном виде как функция основных парамефов машины (N, См, q), грунтовых условий работы (К', А,/сц, /м), дальности перемещения грунта I, конструктивных особенностей машины (Кпк, Кпп, а, л): П
т
Q
К (1 + к ) + A Lfi _1_ пк'    ап'    -м _|_ ^
3600МЦКпкКпп
2

здесь Q
где Kq — коэффициент использования вместимости рабочего органа; Ар — коэффициент разрыхления фунта. Для бульдозеров и скреперов коэффициент использования вместимости рабочего органа может быть принят равным 1,1, так как при копании наполнение рабочего органа фунтом обычно производится «с шапкой». Математическая модель позволяет проводить ранжирование факторов, влияющих на техническую производительность СДМ. Для выявления наиболее значимых факторов модели Пт машин цикличного и непрерывного действия могут быть представлены в обобщенном виде соответственно: для машин цикличного действия П
т
для машин непрерывного действия где коэффициенты Ви, Dn, Вн зависят от особенностей конструкции, параметров и условий работы машин. Из этих выражений видно, что техническая производительность машин пропорциональна их мощности и снижению потерь грунта при его копании и перемещении, но обратно пропорциональна энергоемкости копания грунта, а для машин цикличного действия — также дальности перемещения грунта. При расчете эксплуатационной производительности машины коэффициент ее использования по времени Кв может быть принят равным коэффициенту технического использования А^,и, который в общем случае вычисляется по формуле: где tp — время работы; tn — время простоев из-за технического обслуживания и ремонта. Но так как К^п зависит от срока эксплуатации машины Гэ, лет, то коэффициент технического использования должен приниматься с учетом Тэ: Кш =л/0,56 - 0,028 Тэ. 3.5. Землеройные машины 3.5.1. Одноковшовые экскаваторы К наиболее распространенным в строительстве землеройным машинам относятся экскаваторы, которые подразделяются на одноковшовые экскаваторы общего назначения (относятся к машинам цикличного действия) и специализированные экскаваторы-траншеекопатели, являющиеся машинами непрерывного действия. Современные строительные экскаваторы оснащаются гидравлическим оборудованием, они предназначены для копания грунтов до IV категории включительно без их предварительного рыхления при разработке резервов для возведения насыпей, отрывке котлованов, траншей, каналов и других выемок и при разработке карьеров строительных материалов. Они могут также использоваться на более прочных грунтах, включая мерзлые, после их предварительного рыхления. Строительные одноковшовые экскаваторы приспособлены для установки различного сменного рабочего оборудования и сменных рабочих органов и поэтому их называют универсальными. В качестве рабочего оборудования используются обратная и прямая лопаты, драглайн, а также планировщик (рис. 3.5), который не является сменным, а монтируется в качестве постоянного рабочего оборудования с телескопической стрелой на экскаваторах-планировщиках обычно на базе автомобилей. В настоящее время драглайн (рис. 3.6) редко применяется в строительстве; практически полностью вытеснен оборудованием обратной лопаты. В отечественной классификации строительные одноковшовые экскаваторы подразделяются на размерные группы по их эксплуатационной массе и вместимости ковшей (табл. 3.3). Основными техническими параметрами, например, немецких гидравлических экскаваторов являются масса и мощность двигателя. Рис. 3.6. Схема экскаватора-драглайна Таблица 3.3 Классификация строительных ЭО Размерная группа Эксплуатационная масса, т Вместимость ковша, м3 В качестве основного рабочего оборудования отечественных экскаваторов до 5-й размерной группы включительно принято рабочее оборудование обратной лопаты, а для 6-й размерной группы и выше — прямой лопаты [7]. Диапазон использования рабочего оборудования обратной лопаты в конструкциях зарубежных экскаваторов существенно расширен. Так, фирма Caterpillar комплектует этим видом оборудования экскаваторы, соответствующие 7-й размерной группе отечественных машин. Фирма Komatsu выпускает размерный ряд обратных лопат на гусеничном ходу из 35 моделей экскаваторов с вместимостью ковшей от 0,04 до 5,6 м3. Как на отечественных, так и на зарубежных экскаваторах применяют ковши различной вместимости: основные, узкие (меньшей вместимости для разработки прочных фунтов) и широкие (большей вместимости для разработки слабых грунтов). Ковши всех типов имеют одинаковые размеры профильной проекции, различаются шириной и числом зубьев. Кроме ковшей сменными рабочими органами, расширяющими область применения ЭО малых типоразмеров, являются навесные рыхлители с гидромолотами для рыхления прочных грунтов в стесненных условиях или разрушения асфальтобетонных покрытий и сносимых строений, различные захваты для работы в режиме крана и другие. Конструкции ЭО состоят обычно из базовой части и рабочего оборудования. Базовая часть экскаватора включает гусеничную или пневмоколесную ходовую тележку (см. рис. 3.5) с нижней рамой, опорно-поворотное устройство и полноповоротную платформу с расположенными на ней насосно-силовой установкой, узлами гидросистемы привода и кабиной машиниста. Опорно-поворотное устройство закрытого шарикового или роликового типа с внутренним зацеплением. Для привода поворота используются механизмы с низ-комоментным гидромотором и редуктором или безредукторные устройства с высокомоментными гидромоторами. Для уравновешивания экскаватора при работе в хвостовой части поворотной платформы устанавливается противовес. Рабочее оборудование обратной лопаты состоит из стрелы, рукояти и ковша, соединенных гидроцилиндрами, образуя вместе с поворотной платформой четырехзвенный механизм. Ковш обратной лопаты разгружается опрокидыванием. Кроме стандартных размеров, рабочее оборудование обратных лопат по заказам может изготавливаться с увеличенными длинами стрелы и рукояти при соответствующем уменьшении вместимости ковша. При расчете металлоконструкции экскаватора в качестве нагрузок принимаются [3]: собственный вес металлоконструкции и механизмов; вес грунта в ковше; боковое усилие на зуб ковша; максимальная сила сопротивления грунта копанию. Вес грунта в ковше учитывается в зависимости от положения ковша в забое. Боковое усилие на зуб ковша определяется по максимальному моменту механизма поворота. Максимальная сила сопротивления грунта копанию определяется: •    из условия устойчивости экскаватора; •    из условия его проскальзывания; •    по максимальным усилиям, которые могут развивать механизмы копания. При расчете сила сопротивления копанию считается приложенной к крайнему зубу ковша. Коэффициент перегрузки принимается равным 1,2. При расчете рабочего оборудования экскаватора на усталость число циклов N определяется по формуле: 3,2 • 106Г где Т — срок службы экскаватора, лет; t — длительность цикла, с. 3.5.2. Экскаваторы-траншеекопатели Экскаваторы-траншеекопатели предназначены для отрывки траншей под прокладку различных коммуникаций, имеют чаще оригинальную базу, иногда конструктивно исполнены на базе тракторов. Снабжаются цепными (ЭТЦ) или роторными (ЭТР) рабочими органами, расположенными продольно. Для укладки разработанного грунта рядом с траншеей ЭТ оборудуются поперечным отвальным конвейером небольшой длины (рис. 3.7), широкий диапазон рабочих скоростей перемещения обусловлен изменениями грунтовых условий и глубин отрываемых траншей. Скорости движения рабочих органов ограничиваются условиями разгрузки их ковшей. Вместимость ковшей измеряется в литрах. По сравнению с роторными цепные траншеекопатели обеспечивают отрывку более глубоких траншей, так как глубина копания роторных экскаваторов (рис. 3.8) конструктивно ограничена диаметром ротора. Однако КПД роторных рабочих органов примерно в два раза выше, а поэтому при равной мощности привода они обеспечивают и более высокую производительность, чем цепные. В качестве примера для сравнения ниже даны краткие технические характеристики цепного и роторного экскаваторов-траншеекопателей на базе гусеничных тракторов: Рис. 3.5. Схемы рабочего оборудования одноковшовых гидравлических экскаваторов: а — обратная лопата; б — прямая лопата; в — планировщик с телескопической стрелой; 1 — опорно-поворотное устройство; 2 — пневмоколесное ходовое устройство; 3— выносная опора; 4 — поворотная платформа; 5—двигатель; 6, 8, 9 — хидроцилинд-ры рабочего оборудования; 7 — стрела; 10 — рукоять; 11 — ковш обратной лопаты; 12 — бульдозерный отвал; 13— кабина; 14 — гусеничное ходовое устройство; 15 — ковш прямой лопаты; 16 — телескопическая стрела
в
Мощность двигателя, кВт ..... ЭТЦ-352 . 80,9 . 3,5 . 13...150 . 220
ЭТР-223 117,7 2,2 10...300 650
Глубина отрываемой траншеи, м Рабочая скорость, м/ч.......... Производительность, м3/ч ...... Рис. 3.7. Схема цепного экскаватора ЭТР-252М: 1 — базовая машина; 2 — пульт управления; 3 и 4 — гидропривод; 5 — механизм подъема и опускания рабочего органа; 6 — конвейер; 7— желоб; 8 — рабочий орган Рис. 3.8. Схема роторного экскаватора ЭТР-224А: 1 — базовый трактор типа Т-170; 2 — гидросистема рабочего органа и конвейера; 3, 4 и 5 — механизмы подъема рабочего органа и конвейера; 6— цепной привод ротора; 7— конвейер; 8— ротор; 9— зачистная система; 10 и 11 — редуктор и вал привода ротора; 12 и 13 — вал с муфтой предельного момента; 14 — раздаточный редуктор; 15 — бортовой редуктор гусеничного хода В обозначениях моделей экскаваторов-траншеекопателей первые две цифры обозначают максимальную глубину отрываемой траншеи в дециметрах. 3.6. Землеройно-транспортные машины К землеройно-транспортным машинам относятся машины, которые не только разрабатывают (осуществляют копание) грунт, но и перемешают его к месту укладки в грунтовое сооружение (насыпь, плотину и т.п.). Наиболее характерными являются бульдозеры и скреперы — машины цикличного действия. Также к ЗТМ относят машины непрерывного действия — автогрейдеры и грейдер-элеваторы, перемещающие разрабатываемый грунт в сторону по отношению к направлению движения машины с помощью отвала (автогрейдеры) или конвейера (грейдер-элеваторы). 3.6.1. Бульдозеры Бульдозеры (рис. 3.9) — универсальные ЗТМ в виде навесного оборудования к гусеничным тракторам промышленного типа, наиболее широко применяемые в строительстве при выполнении подготовительных, земляных, планировочных и различных вспомогательных
а    б Рис. 3.9. Схема бульдозера: а — с лобовым отвалом; б — с поворотным отвалом; 1 — отвал, 2, 5 — раскосы; 3 — толкающие брусья; 4 — гидроцилиндр; 6 — шарнир работ. Рабочим органом бульдозера является отвал, устанавливаемый впереди базового трактора и соединенный с ним толкающими брусьями и гидроцилиндрами механизма подъема и опускания отвала. Бульдозеры перемещают грунт отвалом путем волочения, что сопровождается потерями фунта из призмы волочения и офаничи-вает дальность перемещения. Наиболее крупные зарубежные фирмы по производству землеройной техники, например Caterpillar, выпускают бульдозеры на гусеничных тракторах мощностью от 52 кВт (масса 7,4 т) до 634 кВт (масса 113 т), а фирма Liebherr соответственно от 86 кВт (12 т) до 310 кВт (50 т). Кабины базовых тракторов оборудуются системами типа FOBS, ROBS, защищающими машиниста в случае падения на машину тяжелого объекта (например, дерева) или опрокидывания машины. Для выполнения подготовительных работ (рыхления прочных грунтов) на мощные бульдозеры дополнительно устанавливается навесное оборудование рыхлителей сзади трактора, образуя буль-дозерно-рыхлительный агрегат. Фирма Са1ефП1аг выпускает такие агрегаты на тракторах мощностью более 230 кВт. Конструкции базовых тракторов обеспечивают переключение передач под нагрузкой. Фирма Liebherr оснащает все типоразмеры базовых тракторов гидростатическим приводом. Фирма Caterpillar также применяет такой привод для тракторов мощностью 67 и 93 кВт. Есть и отечественные аналогичные разработки. Применение гидростатического привода на бульдозерах обеспечивает следующие преимущества: •    повышение КПД и тягового усилия под нафузкой, уменьшая буксование; •    снижение расхода топлива примерно на 20 %, стабилизируя максимальные обороты двигателя; •    снижение расходов на техобслуживание, увеличивая интервалы между восстановительными работами. Выпускаемые зарубежными фирмами бульдозеры можно условно классифицировать следующим образом: средний класс — массой до 20 т; тяжелый класс — массой от 20 до 50 т; сверхтяжелый класс — массой более 50 т. По установке основного рабочего органа — отвала — бульдозеры подразделяют на бульдозеры с неповоротным (лобовым) и поворотным (косоустанавливаемым) отвалом. В строительстве в основном применяются бульдозеры с неповоротными отвалами трех типов: прямые, полусферические и сферические (U-образные). Полусферические и сферические отвалы (рис. 3.10) состоят из трех секций: средней (лобовой) и крайних косоус-тановленных. У полусферических отвалов ширина захвата крайней секции составляет примерно до 1/6 общей ширины захвата отвала, а у сферических — примерно до 1/3. Полусферические и особенно сферические отвалы набирают больший объем призмы волочения и обеспечивают большую дальность перемещения грунта. Так, если рентабельная дальность перемещения грунта прямыми отвалами, как правило, не превышает 80 м, то сферические отвалы могут применяться для перемещения грунта на расстояние до 150 м. Однако недостатком сферических отвалов, является их залипаемость фунтом в местах стыка секций, особенно при работе в пластичных грунтах, что офаничивает область их применения сыпучими и кусковатыми грунтами или углем (например, при работе на складах). В целях ликвидации этого недостатка созданы конструкции сферических отвалов с подвижной средней секцией (рис. 3.11). Такие отвалы не залипают фунтом при работе, но конструктивно сложнее и тяжелее. Сферические отвалы устанавливают на В
'*£/ 6
*В/ 6
*В/ 3
в
Рис. 3.10. Схемы бульдозерных отвалов в плане: а — прямой; б — полусферический; в — сферический; В — ширина отвала
Рис. 3.11. Бульдозерный отвал с подвижной средней секцией (разработка ЦНИИС) Рис. 3.12. Схемы к расчету объема призмы волочения: а — для прямого отвала; б — для сферического и полусферического отвалов [8]
мощных бульдозерах (не менее 200 кВт). Благодаря своей форме они обладают большей вместимостью (рис. 3.12). Вместимость бульдозерного отвала V, м3, может быть определена по нормам SAE (Общество автотракторных инженеров) [8]: для прямого отвала V = 0,8 ВН2- для полусферического и сферического отвалов V = 0,8ВН2 + НС(В - В'). Зарубежные фирмы, например Caterpillar и Komatsu, изготавливают по заказам разнообразные конструкции бульдозерных отвалов. В настоящее время для управления работой бульдозеров и других землеройных и планировочных машин получают применение космические глобальные системы позиционирования типа GPS. Система GPS использует 24 геостационарных спутника, как минимум четыре из которых видны из любой точки поверхности Земли. Для использования системы GPS машины должны быть оснащены устройствами приема информации GPS и программами работы сданными GPS. Система состоит из следующих элементов (рис. 3.13): GPS-приемник 1 в кабине машины; спутник 2; GPS-опорная станция 3, улучшающая точность измерений, находится в зоне строительной площадки; радиоустройство 4 для связи между опорной станцией и GPS-приемником; Рис. 3.13. Система GPS для управления работой бульдозера GPS-антенны 5 на краях отвала; бортовой компьютер 6 в кабине машины. Установленное на бульдозере устройство чаще, чем раз в секунду, сообщает через спутники существующее позиционное значение обеих антенн на краях отвала и вводит эти данные в компьютер, где они сравниваются с заданными значениями (цифровым планом строительной площадки), вычисляются отклонения, которые автоматически передаются гидросистеме управления отвалом для выполнения соответствующей команды. Данные появляются на дисплее, разным цветом показывая, где необходимо добавить или убрать слой грунта с точностью от ±20 до 30 мм. Согласно РД ВНИИстройдормаша [3], рабочее оборудование бульдозеров имеет восемь расчетных положений: 1)удар    в препятствие серединой отвала, коэффициент сцепления для гусеничных машин принимается 0,95; 2)    удар краем отвала, коэффициент жесткости препятствия для бульдозеров тяжелого класса принимается равным 0,85х103, кН/м; 3)    при заглублении отвала и одновременном движении вперед бульдозер вывешивается на крайней точке отвала, коэффициент жесткости поверхности принимается равным 8,5х102, кН/м; 4)    выглубление отвала при одновременном движении вперед, нагрузка приложена к крайней точке отвала; 5)    удар в препятствие боковой поверхностью отвала при развороте на месте вокруг заторможенной гусеницы; 6)    применяется только для бульдозеров, оснащенных поперечной штангой в рабочем оборудовании; 7)    удар толкающим брусом в препятствие при повороте бульдозера; 8)    вывешивание бульдозера с опорой на толкающем брусе. Коэффициенты перегрузки принимаются: К= 1,25 для расчетных положений 1—6; К = 1,10 для расчетных положений 7 и 8. При расчете бульдозерного оборудования на усталость число циклов N определяется по формуле: N = 1,73-1057’, где Т — срок службы бульдозера, лет. 3.6.2. Скреперы Скреперы (рис. 3.14), как и бульдозеры, являются землеройно-транспортными машинами цикличного действия, обеспечивающими рентабельное перемещение фунта на расстояние до 2000 м и более. Основной рабочий орган скрепера — ковш, геометрическая вместимость которого является главным параметром машины. Он устанавливается на раме, имеющей в передней части арку-хобот, обес- 1 2 3 4 5    6 7 8 Рис. 3.14. Самоходный скрепер: / — двигатель; 2— ведущие колеса одноосного тягача; 3 — седельное сцепное устройство; 4— гидроцштиндры поворота; 5 — тяговая рама; 6, 11 и 12— передняя заслонка; 7— ковш с ножевой системой; 8 — задняя стенка; 9— задние колеса; 10 — буфер печивающую поворот тягача на угол 90°. Ковш скрепера оснащается ножевой системой и такими механизмами с гидроприводом, как: подъема и опускания ковша; подъема и опускания передней заслонки; выдвижения задней стенки (механизм разгрузки). Скреперы имеют пневмоколесный ход и обычно агрегатируются с одноосными тягачами (самоходные скреперы). По способу наполнения ковша грунтом скреперы подразделяются на три вида: •    с загрузкой тяговым усилием тягача (и толкача); •    с загрузкой механизмом (элеватором) с гидроприводом, расположенным в передней части конструкции ковша скрепера (рис. 3.15); •    с помощью специального шнекового механизма, встраиваемого в центре ковша скрепера стандартной комплектации (рис. 3.16). Скреперы с механизмами загрузки способны полностью заполнять ковш грунтом без помощи толкача, однако на копание грунта затрачивается больше времени. Они могут рационально применяться при работе одиночными машинами, тогда как рентабельная работа толкачей предполагает обслуживание нескольких обычных скре- перов. Применение механизмов загрузки ковша уменьшает износ шин, продлевая срок их службы. Фирма Caterpillar выпускает пять видов самоходных скреперов: •    стандартной комплектации с вместимостью ковша 12 и 18 м3, мощность тягача до 246 и 345 кВт соответственно; •    двухмоторные стандартной комплектации с приводом на заднюю ось, вместимость ковша 12, 18 и 24 м3, мощность тягача до 246, 345 и 421 кВт, мощность двигателя на скрепере до 178, 198 и 306 кВт соответственно; •    с элеваторной загрузкой, вместимость ковша 7, 11 и 14 м3, мощность тягача 131, 197 и 246 кВт; •    со шнековой загрузкой, вместимость ковша (с «шапкой») 16 и 24 м3, мощность тягача 246 и 345 кВт; •    шнековые двухмоторные с вместимостью ковша (с «шапкой») 16, 24 и 34 м3, мощность тягача до 246, 345 и 421 кВт, мощность двигателя на скрепере до 178, 198 и 306 кВт. Элеваторный механизм располагается в передней части ковша специальной конструкции, его ширина равна ширине ковша скрепера, что несколько уменьшает его номинальную нагрузку. Число скребков 15—18, расстояние между скребками 406...520 мм. Эффективная работа элеваторного механизма ограничена в основном областью сыпучих и малосвязных грунтов. Шнековый механизм устанавливается на стандартный скрепер как дополнительное устройство, в комплект поставки которого входит поперечная балка для подвески вертикального шнека и шнек с гидроприводом. Для привода шнека предусмотрена отдельная гидрообъемная система с компьютерным управлением. Шнек диаметром 1320 или 1524 мм, вращаясь с частотой 35...55 об/мин, поднимает и равномерно распределяет более 50 % грунта, срезанного ножевой системой скрепера, что позволяет полностью наполнять ковш. Отечественная промышленность выпускает самоходные скреперы стандартной комплектации с вместимостью ковша 8 и 15 м3, мощностью тягача 165 и 265 кВт. Согласно РД ВНИИстройдормаша [31, при прочностном расчете скреперов принимаются три основные положения. 1. Груженый скрепер в транспортном режиме движется по кривой. Равнодействующая горизонтальной инерционной нагрузки РТ, кН, приложенная в центре тяжести груженого скрепера, определяется по формуле: где G — вес скрепера и грунта, кН; V — скорость движения скрепера, м/с; R — радиус поворота, м; g — ускорение свободного падения, м/с2. 2.    Груженый скрепер в транспортном режиме с тягачом повернут на 90°. Заднее колесо в канаве глубиной 1/2 радиуса колеса. Сила тяги Т, кН, приложенная к тяговой раме, рассчитывается по формуле: Т = 0,87/?, — , где В — ширина колеи задних колес, м; R2 — весовая нагрузка на заднюю ось, кН; Ь2 — расстояние от оси поворота тягача до оси задних колес, м. 3.    Скрепер в рабочем режиме (конец заполнения и начало подъема ковша). Вертикальная реакция RB, кН, грунта на нож вычисляется как RB = vfW, где \|/ = 0,45 — экспериментальный коэффициент; РК=ф/?, + 0,87^; W — горизонтальная составляющая силы резания; ф — коэффициент сцепления; — вертикальная нагрузка на колеса тягача, кН; ТЛ — усилие толкача, кН. Кроме того, рекомендуются еще три расчетные положения: •    скрепер в рабочем режиме, упор в непреодолимое препятствие при подъеме ковша; •    при выгрузке заклинило заднюю стенку; •    то же при подъеме передней заслонки. Коэффициенты перегрузки принимаются: К = 1,2 при расчетных положениях 1, 2, 3; К= 1,1 при расчетных положениях 4, 5, 6. При расчете металлоконструкций скреперов на усталость число циклов N нагружений принимается: N = 5,2-10% где Тс — срок службы, лет. 3.6.3. Автогрейдеры и грейдер-элеваторы Автогрейдеры — землеройно-планировочные машины, применяемые в составе комплексов машин для земляных работ. Мошные (тяжелые) автогрейдеры часто используются и как землеройнотранспортные машины при сооружении земляного полотна дорог с возведением насыпей высотой до 1,5 м из боковых резервов. Основным рабочим органом автогрейдера (рис. 3.17) является отвал, устанавливаемый на кронштейнах поворотного круга тяговой рамы, которая через шаровой шарнир крепится к передней части основной рамы автогрейдера. На задней части основной рамы монтируется двигатель машины и кабина управления. Основная рама шарнирно опирается на переднюю ось и задние балансиры с пневмоколесами. Благодаря такой ходовой части автогрейдер получает высокие планирующие способности, так как отвал находится посередине ее колесной базы. Автогрейдеры имеют следующие механизмы с гидроприводом: •    подъема и опускания тяговой рамы с отвалом; •    поворота отвала на тяговой раме (обычно на 360°); •    выноса тяговой рамы с отвалом в сторону; •    выдвижения отвала; •    наклона передних колес; •    подъема и опускания дополнительных рабочих органов (бульдозерного отвала, кирковщика). Наличие указанных механизмов обеспечивает высокую подвижность в пространстве основному рабочему органу — отвалу автогрейдера и его широкие технологические возможности. Кроме рулевого управления автогрейдеры могут оснащаться механизмом поворота основной рамы относительно балансирной тележки, обеспечивающим уменьшение радиуса поворота этой длинной машине. Таким образом, автогрейдер благодаря своей компоновочной схеме и насыщенности гидромеханизмами представляет удобную базовую единицу для различного навесного оборудования. По массе и мощности двигателя автогрейдеры можно условно классифицировать следующим образом: легкие — до Ют мощностью до 100 кВт; средние — 13... 15 т мощностью более 100 кВт; тяжелые — 18 т и более мощностью более 200 кВт. Фирма Caterpillar выпускает 15 моделей автогрейдеров массой от 11,4 до 24,7 т (мощностью от 98 до 198 кВт), в том числе сверхтя-желый автогрейдер 24Н массой 61,9 т (мощностью 373 кВт). Тяжелый отечественный автогрейдер ДЗ-98Б имеет массу 19,1 т и мощность двигателя 202 кВт, а средний ДЗ-122А — соответственно 14,4 т (99 кВт). Автогрейдеры классифицируют также по колесной формуле ходового оборудования: ах Ьхс, где а — число осей с рулевыми колесами; b — число ведущих осей; с — общее число осей. Рис. 3.17. Схема автогрейдера (начало): 1 — гидроусилитель; 2— гидроцилиндры подъема; 3,9 и 10— карданные валы; 4 и 14— гидроцилиндры подъема и выноса тяговой рамы; 5 — рама; 6 — кабина; 7— двигатель; 8 — задние ведущие колеса; 11 — коробка передач; 12 — отвал; 13 и 21 — поворотный круг; 15 — тяговая рама; 16 — рулевые колеса; 17— кирковщик (или бульдозер) 23    24 Рис. 3.17. Схема автогрейдера (окончание): 18 гидроцилиндр наклона передних колес; 19— передний мост; 20— механизм поворота отвала; 22— гидроцилиндр перемещения отвала; 23 — редукторы-балансиры; 24 — редуктор главной передачи Современные автогрейдеры имеют, как правило, колесную формулу 1x2x3: одна ось рулевая, две оси ведущие, общее число осей три. Могут изготавливаться модификации тяжелых автогрейдеров с колесной формулой 1x3x3 (трехосный автогрейдер со всеми ведущими осями и одной управляемой), с силой тяги примерно на 30 % больше. Для выполнения планировочных работ автогрейдеры оборудуются системами автоматического управления, которые обеспечивают стабилизацию заданного углового положения отвала в поперечной плоскости и высотного положения по курсу. При небольших по объему планировочных работах угловое положение отвала задается маятниковым датчиком, а управление положением отвала по высоте производится по механическому копиру (тросу или другой базе). При планировке больших поверхностей обычно используются лазерные датчики. Круговой лазер создает световую поверхность на высоте 2...3 м. Один или два датчика-приемника на машине принимают луч лазера и показывают на дисплее отклонения датчика относительно луча, водитель производит необходимую корректировку с помощью системы управления. Также отклонения могут быть обработаны и реализованы в электронном блоке управления. Как на бульдозеры, так и на автогрейдеры устанавливают системы GPS. В этом случае устройство управления состоит из следующих компонентов (рис. 3.18) [8]: опорная станция /, расположенная в области строительной площадки; радиопередатчик 2 между опорной станцией и машиной; датчики (антенны) 3, установленные на отвале; блок управления 4 в кабине автогрейдера. При расчете конструкций автогрейдеров на прочность, согласно [3], следует рассматривать сочетания нагрузок, соответствующие трем расчетным положениям. 1.    Конец зарезания отвала в грунт, передний мост вывешен и упирается в край кювета, задние колеса буксуют. 2.    Наезд задним краем отвала, выдвинутого в сторону на непреодолимое препятствие. 3.    Автогрейдер в транспортном режиме. Действуют вертикальные и горизонтальные нагрузки от массы узлов, равные произведению их масс на динамический коэффициент 1,8. Коэффициенты перегрузок принимаются: К = 1,7 — при расчетном положении 1; К = 1,2 — при расчетном положении 2; К= 1,4 — при расчетном положении 3. Рис. 3.18. Схема системы GPS для управления работой на автогрейдере Грейдер-элеваторы также являются ЗТМ непрерывного действия, применяются в основном на линейных земляных работах при сооружении земляного полотна дорог из боковых резервов. Рабочие органы — дисковый нож для вырезания грунта из массива и поперечный конвейер для перемещения вырезанного грунта в отвал (возможно и в транспортное средство). Преимущественно грейдер-эле -ваторы бывают полуприцепными и навесными. В качестве базы для навесного грейдер-элеватора рационально применять автогрейдер среднего класса (рис. 3.19). Оборудование грейдер-элеватора устанавливается внутри базы автогрейдера вместо тяговой рамы; для привода используются силовая установка автогрейдера и его механизмы. В целях повышения поперечной устойчивости машины иногда для конвейера применяют дополнительную опору велосипедного типа. Поскольку по принципу действия грейдер-элеваторы являются ЗТМ непрерывного действия, их производительность может достигать 800 м3/ч, что значительно превышает производительность ЗТМ цикличного действия сопоставимой мощности. Однако ввиду больших ограничений по условиям применения грейдер-элеваторов объем земляных работ, который они Рис. 3.19. Схема навесного грейдер-элеватора на базе автогрейдера ДЗ-122А могут выполнить за год, обычно не превышает 5 % от общего объема. Это подтверждает целесообразность их компоновки как сменное навесное оборудование к автогрейдерам, так как масса такого оборудования (примерно 3,5 т) не превышает 1/4 массы базовой машины. При необходимости навесное оборудование грейдер-элеватора может быть демонтировано для использования базового автогрейдера по основному назначению. У полуприцепного грейдер-элеватора передняя часть рамы через сцепное устройство опирается на двухосный колесный тягач. С помощью переднего шарнира к раме крепится плужная балка, на кронштейне которой устанавливается дисковый нож. Привод конвейера и механизмов грейдер-элеватора осуществляется от базового трактора или от отдельного двигателя, установленного на раме грейдер-элеватора. 3.7. Тенденции развития рабочих органов землеройных и землеройно-транспортных машин Анализ конструкций ЗМ и ЗТМ более чем за 100 лет их существования выявил следующие основные тенденции развития рабочих органов этих машин: •    увеличение размеров соответственно росту типоразмеров базовых машин; •    специализация и увеличение номенклатуры сменных рабочих органов; •    повышение их подвижности относительно базы; •    функциональное разделение на элементы, узлы и механизмы в соответствии с характером рабочего процесса; •    применение устройств, интенсифицирующих рабочий процесс. Рис. 3.20. Схема развития рабочих органов отвально-ковшового типа Перечисленные тенденции можно проследить на примере совершенствования рабочих органов отвально-ковшового типа. Повышение эффективности рабочих органов характеризуется переходом их от примитивных металлоконструкций к достаточно сложным системам функциональных механизмов, схемы которых приведены на рис. 3.20: 1 — рабочий орган первых землеройных машин (орудий) в виде примитивного плоского отвала; 2 — современный лобовой отвал бульдозера с криволинейным профилем, учитывающим закономерности движения грунтовой стружки; 3 — лобовой отвал с открылками ковша скрепера-волокуши; 4 — простейший ковшовый орган экскаватора-драглайна; 5 — ковш с передней заслонкой ковша скрепера; 6 — рабочий орган современного скрепера (ковш с передней заслонкой и выдвижной задней стенкой); 7— рабочий орган современного скрепера с механизмом загрузки; 8 — ковш скрепера с механизмом активизации режущей части; 9 — лобовой отвал бульдозера с выдвижным средним ножом; 10 — отвал со взрывными устройствами; 11 — современные бульдозерные отвалы полусферического и сферического типа; 12 — бульдозерный отвал сферического типа с подвижной средней секцией; 13 — ковш экскаватора с криволинейной режущей частью (разработка ЦНИИС); 14 — отвал современного автогрейдера; 15 — перспективный отвал автогрейдера с механизмом вибрации; 16 — универсальный отвал инженерной машины с изменяемой геометрией; 17 — ковш обратной лопаты современного экскаватора; 18 — экскаваторный ковш активного действия. Эволюция рабочих органов машин отражает сложные процессы общего развития производительных сил. Так, повышение удельной мощности двигателей приводит к возможности роста рабочих скоростей и величины отбора мощности на привод различных механизмов рабочих органов, а развитие гидропривода обеспечивает более глубокое манипулирование рабочими органами и создание компактного привода для их механизмов. Повышение рабочих скоростей и требований к качеству работ вызывают необходимость оснащения машин системами автоматического управления и контроля качества выполняемых технологических процессов. Естественно, что достижения НИР и ОКР при этом опережают подготовленность промышленного производства (на рис. 3.20 перспективные разработки помещены за пределами контура). Однако эффективная реализация новых технических проектов часто требует более совершенных базовых единиц для СДМ и решения ряда практических вопросов по освоению их производства и технической эксплуатации. Учет тенденций развития и условий применения ЗМ и ЗТМ позволяет избегать тупиковых технических решений и создания неперспективных машин. В этом отношении полезным является качественное проведение патентного поиска с выявлением динамики патентования и прогнозированием направлений развития ЗМ и ЗТМ, а также их рабочих органов. 3.8. Грунтоуплотняющие машины Грунтоуплотняющие машины входят в состав комплекса средств механизации при возведении насыпей, дамб и других земляных сооружений, служат для восстановления плотности грунта, разрушенного при его разработке, до проектного (нормативного) значения в целях обеспечения устойчивости сооружений. Плотность грунта — отношение его массы, включая массу воды в его порах, к занимаемому этим грунтом объему. С повышением плотности несущая способность грунта увеличивается. В большинстве случаев после работы уплотняющих машин плотность фунта должна составлять 0,95...0,98 от максимального значения, определяемого в лабораторных условиях методом стандартного уплотнения. Однако для наиболее ответственных сооружений (например, железнодорожные насыпи для скоростного движения поездов) фебуемая величина плотности фунта может быть выше, достигая 1,03...1,05. Установлено, что увеличение степени уплотнения на 1 % обычно соответствует повышению прочности фунта на 10...15 % [9). Хотя стоимость уплотнения может составлять лишь 3...5 % обшей стоимости строительства, роль уплотнения в качестве и долговечности законченного объекта гораздо выше. Грунтоуплотняющие машины можно разделить на два вида: катки и трамбующие машины. Катки уплотняют грунт относительно тонкими слоями, обеспечивая глубину уплотнения в зависимости от массы и конструкции примерно до 0,4...0,8 м, за несколько проходов по одному месту, эффективно применяются на линейных земляных работах и больших площадях уплотнения. Трамбующие машины могут уплотнять грунт на глубину до 1,5 м, их целесообразно использовать в стесненных условиях (например, при засыпке грунтом водопропускных труб, установленных в теле насыпи). 3.8.1. Катки Современные катки в основном являются самоходными, например секционные пневмоколесные к одноосным тягачам (рис. 3.21), или с компоновкой в виде шарнирно соединенных двух модулей — тягового и рабочего (рис. 3.22). Самоходные катки в модульном исполнении дополнительно комплектуются сменными вальцами (гладкий, кулачковый, решетчатый). По виду рабочего органа (вальцу) различают катки: с гладким металлическим вальцом; кулачковые; решетчатые. Кулачковые катки обеспечивают большую глубину уплотнения, чем катки с гладкими вальцами. Решетчатые катки эффективнее уплотняют грунты крупнообломочные и с включениями мерзлых Рис. 3.21. Общий вид пневмоколесного катка с одноосным тягачом: 1 — тягач; 2 — арка-хобот; 3 — ресивер; 4 — пневмоколесо; 5 — крайние секции; 6 — средние секции (3 шт.); 7и (S’ — электросигнапы; 9 — задняя балка Рис. 3.22. Обший вид виброкатка: 1 — тяговый модуль; 2 — вибро каток комков. Пневмоколесные катки благодаря регулированию давления воздуха в шинах (0,3...0,8 МПа) могут выбирать наиболее эффективный режим уплотнения грунта по мере повышения его плотности при укатке. По виду воздействия на уплотняемый материал катки подразделяются на статические и вибрационные. По массе они подразделяются с учетом вида рабочего органа: легкие — до 15 т; средние — до 25 т; тяжелые — до 50 т; сверхтяжелые — до 100 т. Вальцы катков обычно бывают вибрационными, что повышает уплотняющие возможности машин примерно вдвое без увеличения их массы. Вибрационные катки являются наиболее эффективными средствами уплотнения грунтов, в том числе крупнообломочных. Это достигается воздействием на уплотняемый материал комбинированной нагрузки: статической силы тяжести катка и динамической от вынуждающей силы кругового вибратора с гидроприводом, помещенного на оси вращения вальца. Уплотняющая способность виброкатков определяется следующими параметрами: удельной линейной нагрузкой на валец, Н/мм; частотой колебаний, с~! (обычно 25...40); амплитудой колебаний, мм (обычно 1,5...2,0). Вынуждающая сила вибратора Р, кН, определяется по формуле: Р = Л/со2, где М — статический момент дебалансов, кН-см; со — угловая скорость, рад/с; М = те, здесь т — масса дебалансов, кг; е — эксцентриситет, см. Рабочая скорость виброкатков составляет 3...6 км/ч. Производительность (м2/ч) зависит от рабочей скорости, ширины вибровальца и числа проходов по одному следу. Прогрессивные конструкции катков должны оснащаться системами автоматического контроля плотности уплотняемого грунта, обеспечивающими высокое качество работы и исключающие трудоемкие лабораторные измерения в полевых условиях. Одним из удобных на практике способов контроля качества уплотняемого грунта является приведенная на рис. 1.4 общая закономерность изменения коэффициента вариации прочности грунта в зависимости от величины плотности, которая справедлива применительно к секционному пневмоколесному катку ДУ-16В на базе одноосного тягача МоАЗ-546П, обеспечивающая непрерывный контроль уплотнения грунта (разработка ЦНИИС). 3.8.2. Трамбующие машины Примером удачного технического решения трамбующих машин может служить модель, разработанная в системе транспортного строительства, оснащенная двухвальными вибраторами направленных колебаний с ограничителями, т. е. вибромолотами, воздействующими на грунт через уплотняющую плиту (руководитель проекта канд. техн. наук Стрельников П.Д.). Машина выполнена в виде навесного оборудования к бульдозеру на базе гусеничного трактора с ходо-уменьшителем (рис. 3.23). Рис. 3.23. Общий вид трамбующей машины: 1 — базовый трактор; 2 — тяговая рама; 3 — ходоуменъшитель; 4 — гидроцилиндр; 5 — гидромотор; 6 — фиксатор; 7— клиноременная передача; 8 — вибромолот; 9 — узел соударения; 10 — трамбующая плита; 11 — тяга; 12 — поперечная рама; 13 — амортизатор; 14 — планирующая плита; 15 — отвал Конструкция навески обеспечивает поперечное перемещение уплотняющих модулей с выдвижением их в сторону за пределы габарита трактора в целях уплотнения бровочной части насыпи. Основные технические характеристики модели ГТМ-ТС-1 приведены ниже [10]: Базовый бульдозер.............................ДЗ-27 Мощность, кВт................................125 Число уплотняющих модулей...................2 Частота ударов, мин-1..........................До 360 Масса ударной части, кг........................575 Ширина уплотнения, м ........................1,9 Глубина уплотнения, м ........................До 0,9 Рабочая скорость, м/ч.......................... 260...1050 Производительность, м3/ч ......................До 450 3.9. Машины для сооружения водоотводов и укрепления откосов насыпей и выемок Для отвода вод от грунтовых сооружений (насыпей, выемок), особенно в периоды выпадения осадков и таяния снегов, в целях предохранения этих сооружений от разрушения создают систему водоотводов, состоящую из кюветов, водоотводных и нагорных канав, отрывка которых часто выполняется одноковшовыми экскаваторами, оборудованными специальными профильными ковшами. Однако для устройства кюветов экскаваторами требуются транспортные средства, которые отвлекаются от основных земляных работ и при перемещении по готовому земляному полотну портят его. Для сооружения водоотводов наиболее эффективны специализированные кювето- и канавокопатели непрерывного действия, обеспечивающие образование кювета или другого водоотвода высокого качества за один проход. В системе транспортного строительства для этой цели создана машина МРК-1, нарезающая водоотводы в «мягких» грунтах. Машина (рис. 3.24) сконструирована как навесное оборудование к бульдозеру типа ДЗ-27 на базе гусеничного трактора класса 10 т, оборудованного ходоуменьшителем [10]. Рабочие органы состоят из торцовой фрезы с радиально расположенными ножами и соосно с ней установленного лопастного грунтомета-теля с неподвижным кожухом, зачистная система выполнена по профилю образуемого водоотвода. Привод фрезы и метателя от вала отбора мощности базового трактора. Машина оснащена системой автоматического контроля глубины копания. Машина не требует транспортных средств: грунт, вырезанный фрезой, с помощью метателя равномерно распределяется по откосам Рис. 3.24. Схема машины МРК-1 для сооружения водоотводов (разработка ЦНИИС): / — дополнительный гидробак; 2 — базовый бульдозер; 3 — гидроцилиндр; 4 — ходоуменьшитель; 5 — фрезерно-метательный рабочий орган выемок тонким слоем. При отсутствии объемов работ по сооружению водоотводов оборудование может быть снято с базового бульдозера, который пригоден для использования по прямому назначению. Технические характеристики машины МРК-1 приведены ниже: Параметры формируемого водоотвода: заложение откосов ......................................................1:1,5 глубина кювета, м...........................0,6 глубина водоотводной канавы, м .............0,9 ширина кювета по дну, м....................0,4 ширина канавы по дну, м....................0,6 Диаметр фрезы, мм ..........................................................2400 Диаметр метателя, мм ......................................................2200 Частота вращения фрезы, мин-1 ..................................................12 и 24 Частота вращения метателя, мин-1 ............................................82 и 164 Дальность метания грунта, м ....................7 и 15 Рабочая скорость, м/ч......................................................30... 140 Масса машины, т ..............................................................22 Производительность, м3/ч .......................До 250 Основным способом укрепления откосов земляного полотна в целях предотвращения их разрушения является гидропосев трав, который заключается в нанесении на откосы насыпи или выемки рабочей смеси, состоящей из семян специально подобранных трав, минеральных удобрений, мульчирующих и стабилизирующих материалов и воды. В качестве мульчирующих материалов используют древесные опилки, торфокрошку или окоп (отходы предприятий целлюлозно-бумажной промышленности). Стабилизирующими материалами служат дорожные битумные эмульсии, синтетические латексы и другие вяжущие. Гидропосев производится специальной машиной-гидросеялкой [10J, изготавливаемой на базе поливочно-моечной машины типа ПМ-130Б (рис. 3.25), цистерна которой дооснащается гидромонитором и лопастной мешалкой, а также фекальным насосом с системой гидрокоммуникаций. Привод насоса от раздаточной коробки трансмиссии автомобиля. Технические характеристики машины приведе ны ниже: Вместимость цистерны, м3.........................4,2 Максимальная дальность полета струи, м...........30 Производительность, м2/смена.....................До 5000 Обслуживающий персонал, чел.....................2 Площадь, засеваемая при одной заправке, м2 .......1000 Норма розлива рабочей смеси, л/м2 ................5 Рис. 3.25. Схема машины для укрепления откосов гидропосевом трав на базе поливочной машины (разработка ЦНИИС): / — гидрометатель; 2 — загрузочный люк; 3 — ограждение; 4 — цистерна; 5 — лопастной смеситель; 6— цепной привод смесителя; 7— фекальный насос Подготовка материалов и заправка гидросеялки производятся на специально организованной базе, рациональный радиус обслуживания которой 10 км. Перед загрузкой компонентов рабочей смеси в цистерну заливается вода и включается мешалка. Оператор наносит смесь на откос при поливе за 2—3 прохода машины, которая может работать и с железнодорожной платформы, где располагаются материалы для ее заправки. Контрольные вопросы 1.    Перечислите основные виды машин для земляных работ. Каково их технологическое назначение? 2.    Назовите преимущества и недостатки машин для земляных работ цикличного и непрерывного действия. 3.    Что такое резание и копание грунтов? Назовите три основных слагаемых сопротивления копанию. Как их следует учитывать при проектировании землеройных машин? 4.    В чем общность процессов копания для различных видов землеройных машин? 5.    Как построена шкала удельных сопротивлений копанию фунтов? 6.    Назовите три категории производительности землеройных машин. 7.    На основе обобщенной модели производительности систематизируйте и назовите основные факторы, влияющие на производительность землеройных и землеройно-транспортных машин. 8.    Назовите основные виды землеройных и землеройно-транспортных машин. 9.    Назовите принцип устройства, основные виды рабочего оборудования и его назначение в строительстве для одноковшовых экскаваторов. 10.    Приведите принципиальные конструктивные схемы и их сопоставление по эффективности применительно к экскаваторам-траншеекопателям. 11.    Каковы назначение и основные виды рабочего оборудования бульдозеров? 12.    Как применяют космические навигационные системы для управления работой бульдозеров? 13.    Назовите принципиальные виды конструкций и назначение самоходных скреперов. 14.    Каковы назначение, особенности конструкции и основные механизмы автогрейдеров? 15.    Опишите системы автоматизации управления автогрейдерами. 16.    Каковы основные тенденции развития землеройных машин? 17.    В чем назначение грунтоуплотняющих машин? Расскажите об их классификации. 18.    Как проводят расчет параметров виброкатков? 19.    Каковы конструкции современных трамбующих машин? 20.    Объясните, в чем эффективность навесного фрезерно-метательного оборудования к бульдозеру для сооружения водоотводных канав. 21.    Какова технология и пути механизации укрепления откосов земляного полотна гидропосевом трав? Глава 4 МАШИНЫ ДЛЯ БУРОВЫХ И СВАЙНЫХ РАБОТ Машины для буровых и свайных работ в основном включают следующие виды средств механизации для устройства свайных фундаментов, а также ограждающих конструкций, например типа «стена в грунте», шпунтовых ограждений: •    бурильные машины (БМ); •    сваебойное оборудование (свайные молоты — СМ); •    вибропогружатели (ВП).
Бурильные машины применяют для установки буронабивных свай высокой несущей способности в сложных фунтовых условиях в качестве фундаментов при строительстве объектов энергетического, промышленного, транспортного назначения (мостов, эстакад), а также для увеличения несущей способности слабых оснований.
Буронабивные сваи (рис. 4.1) выполняют путем бурения скважины, установки в нее арматурного каркаса и заполнения скважины бетонной смесью. В зависимости от устойчивости стенок скважины бурение производят под защитой специальных обсадных труб или без них. Обсадные трубы являются инвентарными. Глубина бурения под буронабивные сваи составляет до 50 м при диаметре скважины 0,6...1,2 м. Несущая способность свай 2000...30 000 кН. Наиболее эффективны такие сваи при опирании их на скальные грунты. При отсутствии такой возможности несущую способность буронабивных свай повышают путем уширений нижней части.
Бурильные машины могут применяться для отрывки глубоких траншей при строительстве подземных сооружений способом «стена в грунте». В этих случаях бурение ведется под слоем глинистого раствора (бентонита), что, как показали проведенные ЦНИИСом исследования с моделированием процессов резания грунтов в специальных барокамерах (рис. 4.2), при глубинах более 10... 15 м может в несколько раз увеличивать сопротивление бурению. Это объясняется действием гидростатического давления в зоне резания грунта [11].
Бурильные машины (станки) с меньшими диаметрами бурения
0,1...0,4 м применяют для устройства буроинъекционных свай в целях усиления фундаментов сооружений на слабых основаниях,
гиЧггп
ртитп
Рис. 4.1. Технологическая схема устройства буронабивной сваи: а — бурение; б — наращивание трубы; в — армирование; г — бетонирование
05^
1^-
Рис. 4.2. Схема стенда для исследования процесса резания фунтов под гидростатическим давлением (разработка ЦНИИС): 7 — баллон со сжатым воздухом; 2 — блок давления; 3 — гидроцилиндр; 4 — клиноременная передача; 5— ходовой винт; 6 — шток; 7— тензометрическое звено; 8— барокамера; 9 и 12— иллюминаторы; 10— модель рабочего органа; 11— прожектор; 13 — люк; 14 — сливная пробка; 15 — контейнер с грунтом; 76 и 19 — трубопроводы; 77 — разделительная диафрагма; 18— манометр; 20— электродвигатель

особенно в стесненных условиях производства работ. Буроинъекционные сваи выполняют путем инъекции цементно-песчаных растворов в скважины, пробуренные под защитой бентонитового раствора, с установленными в них армокаркасами. Обычно глубина бурения при этом составляет 5...40 м, несущая способность таких свай — 100...1000 кН. Свайные молоты применяют для устройства свайных фундаментов, ограждений, заземлений путем забивания в грунт различных элементов (железобетонных свай, металлических труб, шпунта). Для этих целей чаще используют дизель-молоты, смонтированные на копрах, или гидромолоты. Вибропогружатели обычно применяют для устройства столбчатых фундаментов из свайных элементов большого диаметра в виде свай-оболочек при строительстве мостов или для погружения в грунт других конструкций, например фундаментов опор контактной сети. На основе мощных ВП разрабатываются виброуплотнители каменных материалов с большой толщиной слоев (до нескольких метров), в том числе под водой, например, при строительстве причальных сооружений морских портов. 4.1. Бурильные машины Бурильные машины, кроме буровзрывных работ, в строительстве применяются для устройства буронабивных свай с большой несущей способностью. В качестве базы обычно служит самоходное гусеничное шасси (типа кранового или экскаваторного) или автомобиль. Чаще они являются машинами цикличного действия, оснащены рабочим органом в виде ковшового бура или шнека. Буровое оборудование устанавливается на поворотной платформе, включает следующие основные механизмы и узлы (рис. 4.3): •    привод с кабиной управления; •    копровая стрела с механизмом подъема и опускания; •    лебедка для подъема и опускания рабочего оборудования; •    бур с буровыми штангами; •    механизм вращения с механизмом подачи рабочего оборудования; •    механизм задавливания и извлечения обсадных труб; •    механизм обжима и поворота обсадных труб; •    опорные домкраты-аутригеры (для машин на базе автомобилей). В качестве примера ниже приведены основные технические характеристики бурильной машины МБНА-1, созданной в системе транспортного строительства: Рис. 4.3. Схема бурильной машины для устройства буронабивных свай: / — лебедка; 2 — мачта; 3 — штанга; 4 — гидроцилиндр перемещения вращателя; 5— вращатель; 6— рабочий орган (ковшовый бур); 7— гидроцилиндр подъема мачты; 8 — базовый экскаватор; 9 — обсадное оборудование Мощность двигателя, кВт .................. Автомобиль КраАЗ-257К 0,7... 1,0 До 20 До 1:4 2 5
Диаметр бурения, м ....................... Глубина бурения, м ....................... Наклон скважины к вертикали.............. Обслуживающий персонал, чел.............. Средняя техническая производительность, м/ч Отечественной промышленностью разработан ряд бурильных машин на базе гусеничных экскаваторов: Марка машины ........ Тип базового экскаватора Глубина бурения, м..... БМ-2000 БМ-2000 БМ-4000 ЭО-4122 ЭО-4122 ЭО-61 20 20 22 Для устройства уширений скважин в целях повышения их несущей способности дополнительно к буру применяют сменное оборудование — уширители со складывающимися ножами. При диаметре скважины 1,5 м они обеспечивают уширение ее нижней части до 3,5 м. 4.2. Свайные молоты и вибропогружатели Свайные молоты используются с копровыми установками, обеспечивающими подъем свайных элементов в исходное положение для забивки в грунт. Они делятся в основном на дизель-молоты и гидромолоты. Наибольшее распространение в строительстве получили дизель-молоты, представляющие собой прямодействующие двигатели внутреннего сгорания, которые работают по принципу двухтактного дизеля. Они отличаются энергетической автономностью, конструктивно просты и надежны. По конструкции дизель-молоты делятся на штанговые и трубчатые. Ударная часть штангового дизель-молота (рис. 4.4) выполняется в виде массивного цилиндра, движущегося по двум направляющим штангам. Распыление топлива в камере сгорания — форсуночное с помощью плунжерного насоса высокого давления (до 50 МПа), который приводится в действие от ударного цилиндра молота при падении. Захваченный цилиндром воздух сжимается в основании молота в 25—28 раз с повышением температуры до 600 °С, в результате чего топливная смесь самовоспламеняется, воздействуя через наголовник на сваю, а также подбрасывая ударную часть в исходное положение для следующего удара. Дизель-молот работает автоматически до выключения топливного насоса. Штанговые дизель-моло-ты характеризуются низкими энергетическими показателями, в том числе ввиду плохих условий вентиляции цилиндра и невысокой долговечностью из-за свободного попадания пыли на поршень. Однако по сравнению с трубчатыми дизель-молотами они обеспечивают более щадящий режим погружения свай, меньший уровень шума при ударах, легче запускаются на слабых фунтах. Рис. 4.4. Схема штангового дизель-молота: I    — гшта; 2 — нижняя часть; 3 — поршневой блок; 4— направляющие штанги; 5 — крюк; 6 — траверса; 7 — рычаг; 8— кошка; 9 — палец; 10 — ударный цилиндр; II    — штырь; 12 — форсунка; 13 — поршень; 14— топливный трубопровод; 15 — рычаг включения насоса; 16 — насос высокого давления; 17— наголовник
Рис. 4.5. Схема трубчатого дизель-молота: 1 — насос низкого давления; 2 — рычаг насоса; 3 — топливный бак; 4 — элемент крепления; 5 — поршень; 6 — цилиндр; 7— выхлопной патрубок; 8— сферическая головка поршня; 9— шабот; 10— наголовник; 11 — уплотнительные кольца
Трубчатые дизель-молоты (рис. 4.5) эффективнее, чем штанговые, при той же массе ударной части могут забивать более тяжелые (в 2—3 раза) свайные элементы. Ударным является массивный поршень, движущийся внутри направляющей трубы, соединенной внизу с рабочим цилиндром. Распыление топлива в камере сгорания происходит от соударения поверхностей поршня и шабота. Топливо в лунку шабота подается плунжерным насосом низкого давления (0,3...0,5 МПа) до начала процесса сжатия воздуха. Часть энергии расширяющихся продуктов сгорания топлива после удара поршня о шабот под давлением 7...8 МПа передается на сваю, дополнительно погружая ее при подбрасывании поршня. Основным изготовителем дизель-молотов в нашей стране является завод «Строймаш» (г. Стерлитамак). В отличие от дизель-молотов гидромолоты могут работать под водой, их КПД выше. Сравнительные характеристики этих молотов приведены в табл. 4.1. Таблица 4.1 Сравнительные параметры дизель- и гидромолотов Параметры Дизель-молоты Гидромолоты штанговые трубчатые Масса ударной части, кг Энергия удара, кДж Частота ударов, мин-1 До 3500 До 50 50...60 0,35...0,4 До 5000 и более До 160 43...45 До 0,6 До 4500 и более До 65 и более 50...170 До 0,65 Эффективность погружения свайных элементов в грунт зависит от соотношения массы сваи тс и ударной части молота тм, частоты ударов молота «м и скорости соударения v ударной части молота с шаботом. При проектировании необходимо соблюдать следующие тс условия: 0,5 < — < 2,5; v < 6 м/с; Г)м > 30 мин-1. В целях повышения эффективности сваебойных гидромолотов в настоящее время разработаны новые конструкции с массивной ударной частью («бабой») массой до Юти более, взводимой и разгоняемой гидродвигателем с ускорением до 1,3g, перемещаемой по четырем направляющим штангам. Частота ударов при максимальной энергии составляет 70, а при минимальной — 180 уд/мин с быстрой адаптацией к изменению условий работы. В нашей стране это гидромолоты «Ропат» (рис. 4.6 и табл. 4.2), изготавливаемые заводом «Сибтекстильмаш» (г. Новосибирск). За рубежом подобные гидромолоты выпускаются фирмами 1СЕ (США) и Toppile (Корея) (табл. 4.3). Рис. 4.6. Свайный гидромолот «Ропат»: 1 — кожух; 2 — пневмогидроаккумулятор; 3 — шильд изготовителя; 4 — захват; 5 — грузовая ось; б—пресс-масленка; 7— клин; 8—наголовник; 9— свая; 10— деревянная прокладка; И — сегменты; 12— кольцевой амортизатор; 13 — корпус нижний; 14 — амортизатор; /5—шарнир; /6—«баба»; /7 — трубчатая опора; 18 — шток гидродвигателя; 19 — штанга; 20 — гидродвигатель; 21 — гайка крепления гидродвигателя; 22 — корпус верхний; 23 — верхняя опора; 24 — проушина Таблица 4.2 Характеристики свайного гидромолота «Ропат» Параметры Максимальная ударная мощность, кВт КПД (максимальный), % Энергия удара, кДж: максимальная минимальная Частота ударов, мин-1, при энергии удара: максимальной минимальной Максимальное преодолеваемое сопро тивление грунта при отказе 2 мм, т Номинальное давление рабочей жидкости, МПа Давление настройки предохранительного клапана, МПа Расход рабочей жидкости максимальный, л/мин Потребляемая мощность насоса максимальная, кВт Ударная масса, т Полная масса с наголовником, т Габаритные размеры, мм: длина с наголовником поперечные размеры Таблица 4.3 Характеристики зарубежных свайных гидромолотов Модель молота Максимальная потении- альная энергия ударной части, т-м Ход ударной части, мм: максимальный минимальный Число ударов при мак симальном ходе, уд/мин Масса ударной части*, т Масса молота (без наголовника), т Масса наголовника**, т Окончание табл. 4.3 Модель молота Габаритные размеры, мм: высота ширина длина Гидравлические параметры: рабочее давление, бар требуемый расход, Модель насосной станции РАСК-20 РАСК-25 Мощность двигателя, л.с. * По требованию заказчика могут быть изготовлены тяжелые гидромо лоты с массой ударной части 30 и 40 т. ** Вес наголовника и вставок зависит от типа и размера погружаемого свайного элемента. Вибропогружатели (ВП) — безударные вибрационные машины для погружения в грунт различных свайных элементов (СЭ), включая сваи-оболочки. ВП подразделяют на высокочастотные (частота колебаний 700...1500 мин-1) и низкочастотные (300...500 мин-1). Низкочастотные ВП предназначены для погружения тяжелых СЭ со значительным поперечным сечением (железобетонных свай, свай-оболочек), а высокочастотные — для относительно легких элементов с небольшим поперечным сечением (металлический шпунт, трубы). Основными узлами ВП с электроприводом отечественного производства являются (рис. 4.7): центробежный вибровозбудитель с грузовыми валами и дебалансами (грузами); двигатель; редуктор; наголовник для жесткого крепления ВП к СЭ; пульт управления. Вынуждающая сила ВП, кН: Р = Мс со2, где Мс — суммарный статический момент дебалансов, кН-см; со —угловая частота вращения грузовых валов с дебалансами, мин-1, причем Мс = тсе, где тс — суммарная масса дебалансов, т; е — расстояние от оси вращения до центра массы дебаланса (эксцентриситет), см. Угловая частота вращения дебалансов связана с числом их оборотов в минуту: 0)    = 0,Ю4п. Рис. 4.7. Схема вибропогружателя: 7 — двигатель; 2 — вибровозбудитель; 3 — редуктор; 4 — наголовник; 5 — свайный элемент
Вибропогружатели различаются по мощности привода, основным параметрам и конструктивному исполнению, что определяет области их применения. ВП могут иметь проходное отверстие, обеспечивающее извлечение грунта из полости сваи-оболочки без снятия с нее ВП. Наиболее универсальными являются вибропогружатели с регулируемыми параметрами (ВРП) по частоте колебаний и статическому моменту дебалансов, изменяемыми на ходу. В системе транспортного строительства разработан ряд таких ВРП, основные параметры которых приведены ниже: ВРП-15/60 ВРП-30/120 ВРП-70/200 Статический момент, т ем....... Частота колебаний, мин-1 ....... Вынуждающая сила, кН ......... Мощность, кВт ................. Габариты (высота), м............ Масса, т........................ Максимальная масса СЭ, т ...... ВРП-70/200 с проходным отверстием предназначен для погру- жения железобетонных оболочек диаметром до 2 м на глубину до 35 м. Специально разработанный электропривод позволяет применять и для ВРП большой мощности асинхронные короткозамкнутые электродвигатели. Особенности электросхемы обеспечивают при запуске ВП ограничение пусковых токов и снижение необходимой мощности источника питания почти в 2 раза. В настоящее время получают развитие более совершенные ВРП с гидроприводом, которые могут работать в режиме выдергивания из грунта свайных элементов. Вибропогружатели оснащены гидрозажимами для закрепления на свайных элементах. В табл. 4.4 в качестве примеров приведены технические характеристики некоторых зарубежных тяжелых ВРП с гидроприводом. Таблица 4.4 Тяжелые вибропогружатели стандартной частоты Характеристики Model 200Т со вставками из вольфрама Model 200-6Т со вставками из вольфрама Model 400 В Кинг-Конг Супер- Момент силы относительно оси, кг-м Частота враще 400... 1400 400... 1400 ния дебалансов, (6,6...23,3) (6,6...23,3) об/мин (Гц) Возмущающая Амплитуда, мм Максимальное усилие подвески, Масса эксцент риков, кг Динамический вес, кг Вес погружа- теля, кг Длина, см Ширина, см Высота (без на головника), см Стандартная дли на шлангов, см Рекомендуемая маслостанция Контрольные вопросы 1.    Назовите основные машины для буровых и свайных работ. В чем их назначение? 2.    В чем заключаются основы технологии сооружения буронабивных свай? Как устроены бурильные машины? 3.    Назовите типы дизель-молотов и особенности их работы. 4.    Как устроены современные свайные гидромолоты? 5.    Что такое вибропогружатели? Опишите принцип их действия и классификацию. 6.    Что такое вынуждающая сила и статический момент дебалансов вибропогружателя? Глава 5 МАШИНЫ ДЛЯ БЕТОННЫХ РАБОТ Основными машинами для производства бетонных работ являются [12]: •    машины для транспортирования готовых бетонных смесей или их компонентов в виде сухих смесей от предприятий-изготовителей до строительных объектов на расстояние не более 20 км; •    машины для транспортирования готовых бетонных смесей на небольшие расстояния к месту их укладки внутри строительного объекта; •    машины для уплотнения бетонных смесей в процессе их укладки. В настоящее время для доставки бетонных смесей на строительные объекты широко распространены автобетоносмесители. Внутри строительного объекта наиболее эффективно транспортировать бетонные смеси средствами трубного транспорта с помощью бетононасосов. Уплотнение бетонных смесей в процессе их укладки производят с помощью вибраторов. 5.1. Автобетоносмесители Автобетоносмесители применяют для приготовления бетонных смесей как в пути следования от специализированных предприятий по производству отдозированных сухих смесей до строительного объекта, так и непосредственно на строительном объекте, а также для транспортирования готовой качественной бетонной смеси с побуждением ее (подмешиванием) при перевозке. Эти машины представляют собой гравитационные реверсивные бетоносмесители с индивидуальным приводом, установленные на шасси грузовых автомобилей. Главным параметром автобетоносмесителей является объем готового замеса, измеряется в кубических метрах. Рассмотрим конструкцию автобетоносмесителя (рис. 5.1) на примере отечественной машины на базе грузового автомобиля КамАЗ 7. Автобетоносмеситель включает раму 9, смесительный барабан 4 с объемом готового замеса 4 м3, загрузочно-разгрузочное устройство, механизм вращения барабана 3, дозировочно-промывочный водя- 12 11 10    9 Рис. 5.1. Автобетоносмеситель на базе автомобиля КамАЗ ной бак 2, водяной центробежный насос, систему управления оборудованием с рычагами 10, 12 и контрольно-измерительными приборами 11. Смесительный барабан наклонен к горизонту под углом 15° и имеет три опорные точки: спереди центральную цапфу на днище барабана, а сзади гладкий бандаж, опирающийся на два ролика. Загрузочно-разгрузочное устройство состоит из загрузочной 5 и разгрузочной б воронок, складного лотка 7 с поворотным устройством 8. Лоток может поворачиваться при разгрузке в горизонтальной плоскости на угол до 180°, в вертикальной плоскости — до 60°. На внутренней поверхности барабана укреплены две спиральные лопасти, которые при вращении барабана в одну сторону направляют компоненты смеси в его нижнюю часть, где происходит их гравитационное перемешивание, а при вращении в обратную сторону подают готовую бетонную смесь к разгрузочной воронке. Вращение барабана осуществляется от индивидуального дизельного двигателя с редуктором, ведомая звездочка которого прикреплена к днищу барабана. Привод обеспечивает две частоты вращения барабана в обе стороны при загрузке, перемешивании и разгрузке. Частоту вращения при загрузке выбирают в зависимости от производительности питающей установки. Приготовление смеси в пути следования происходит при дальности транспортирования не более 10... 15 км. При перевозках на большие расстояния сначала в барабан загружают сухие компоненты, а подачу воды и приготовление бетонной смеси производят непосредственно на строительном объекте. После разгрузки барабана его промывают водой из дозировочно-промывочной системы через то же сопло в загрузочной воронке. При транспортировании готовой бетонной смеси во избежание ее расслаивания барабан вращается с пониженной частотой непрерывно. Автобетоносмеситель с гидроприводом смесительного оборудования в отличие от машины с механическим приводом комплектуется барабаном с увеличенным до 5 м3 объемом готового замеса, системой привода барабана и коробкой отбора мощности в трансмиссии базового автомобиля; для привода гидронасоса возможно бесступенчатое регулирование частоты вращения барабана в диапазоне 0...20 об/мин. Вращение барабана осуществляется от реверсивного гидродвигателя и планетарного редуктора. В зарубежных конструкциях автобетоносмесителей с объемом готового замеса 6...9 м3 наиболее часто в качестве базы используют трех- и четырехколесные автомобили, а также трехколесные автомобили с полуприцепами седельного типа объемом до 10 м3 готового замеса. 5.2. Бетононасосы и бетонораспределительные манипуляторы Транспортирование бетонных смесей по трубам на строительных объектах обеспечивает непрерывность перемещения смеси в горизонтальном и вертикальном направлениях, сохраняет качество смеси и сводит ее потери к минимуму, а также позволяет подавать смеси в труднодоступные места и вести бетонные работы в стесненных условиях. Для обслуживания небольших строительных объектов созданы конструкции автобетоносмесителей с дополнительным оборудованием для подачи бетонной смеси из смесительного барабана к месту ее укладки, включающие бетононасос и бетонораспределительные манипуляторы (БРМ), т. е. шарнирно сочлененную стрелу с гидроуправлением и бетоноводом. Радиус действия такого оборудования может достигать 20 м, а высота — 17 м. Недостаток этой компоновки машины заключается в том, что дополнительное оборудование уменьшает полезную массу перевозимой бетонной смеси примерно на 2 т. Наиболее универсальными являются автобетононасосы, которые представляют собой самоходные машины на базе шасси грузовых автомобилей, оснащенные бетононасосом с гидроприводом и шарнирно сочлененной стрелой из 3—6 секций с бетоноводом (БРМ) для подачи и распределения свежеприготовленной смеси с осадкой конуса (степенью ее подвижности) 6... 12 см в зоне действия стрелы во всех ее пространственных положениях. В качестве сборно-раз-борных бетоноводов используют стальные бесшовные трубы из высокопрочной стали постоянного диаметра по всей длинев диапазоне 63... 125 мм. Прочность и герметичность соединения труб на стыках обеспечиваются специальными быстродействующими рычажными замками. В нашей стране выпуск автобетононасосов производительностью до 120 м3/ч на базе автомобилей КамАЗ освоен ОАО «Туйма-зинский завод автобетоновозов» с бетоноводами из 3—5 секций. Внутренний диаметр бетоноводов составляет 125 мм. Бетонная смесь подается на высоту до 21...47 м под давлением 7,5... 10,5 МПа. Максимальный размер частиц бетонной смеси 50 мм. Автобетононасос с БРМ на базе автомобиля КамАЗ (рис. 5.2) подает бетонную смесь с помощью стрелы 4 по бетоноводу 9 к месту укладки. Стрела состоит из трех шарнирно соединенных секций, движение которых в вертикальной плоскости сообщается гидроцилиндрами двустороннего действия 5, 7 и 11. На раме машины установлены гидробак 6, бак для воды 10 и компрессор 12. Стрела смонтирована на поворотной колонне 3, опирающейся на раму 15 шасси автомобиля 1 через опорно-поворотное устройство 2, которое поворачивается на 360°, с радиусом действия до 19 м. Прикрепленный к стреле секционный бетоновод заканчивается гибким шлангом 13. Бетонная смесь подается в приемную воронку 14 бетононасоса 8 из автобетоносмесителя. При работе автобетононасос опирается на аутригеры 16. Переносный пульт управления позволяет машинисту находиться вблизи места укладки бетонной смеси. Движение бетонной смеси по бетоноводу обеспечивается обычно двухцилиндровыми гидравлическими насосами. 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Рис. 5.2. Автобетононасос на базе автомобиля КамАЗ в транспортном положении Рис. 5.3. Гидравлический поршневой бетононасос Гидравлический поршневой бетононасос (рис. 5.3) состоит из двух бетонотранспортных цилиндров 6 диаметром до 230 мм, поршни которых получают синхронное движение во взаимно противоположных направлениях от индивидуальных рабочих гидроцилиндров 10, осуществляя попеременно такт всасывания бетонной смеси из приемной воронки 3 и такт нагнетания ее в бетоновод 1. Ход поршней до 2000 мм. Движение поршней согласовано с работой бетонораспределительного устройства 2, которое поворачивается на определенный угол с помощью двух гидроцилиндров 12. Приемная воронка оборудована решеткой 4 и лопастным побудителем с приводом 11. Бетонотранспортные цилиндры помещены в корпус 5, имеющий резервуар 8 для промывочной воды и сообщающийся со што-ковыми полостями этих цилиндров. При замене промывочную воду сливают через спускное отверстие, перекрываемое крышкой 7. Бетононасос снабжен электрогидравлическим блоком управления 9. Главным параметром автобетононасосов является объемная подача смеси (производительность), измеряется в кубических метрах смеси, подаваемой в час. Двухпоршневые насосы обеспечивают диапазон регулирования подачи бетонной смеси от 5 до 150 м3/ч при максимальной дальности подачи до 2000 м по горизонтали и до 100 м по вертикали под давлением 7,5...20,0 МПа. Мощность привода поршневых бетононасосов составляет 33...330 кВт. Расчет БРМ на прочность производится в соответствии с РД ВНИИстройдормаша [3]. При определении нагрузок на БМР от массы транспортируемой бетонной смеси плотность бетона принимается равной 2400 кг/м3. Ветровые нагрузки определяются так же, как для конструкций с равномерно распределенной массой. При определении динамических нагрузок при повороте БМР массы металлоконструкций секции стрел, трубопровода и бетонной смеси считаются равномерно распределенными по длине секции. Массы гидроцилиндров, рычагов оборудования учитываются в виде сосредоточенных масс. Стрела рассчитывается на горизонтальные нагрузки, определяемые по формулам: при разгоне при торможении где М — момент двигателя механизма поворота, Нм; Л/т — тормозной момент, Н- м; п — передаточное отношение механизма поворота; I — суммарный момент инерции вращающихся частей БРМ относительно оси вращения, кг-м2; т; —масса конструкций и механизмов БРМ, приведенная к /-й точке, кг; 7?( — расстояние массы mi от оси вращения, м; Г] — КПД механизма поворота. При расчете на динамические нагрузки от работы бетононасоса определяются инерционные силы R, Н, вынужденных колебаний, вызываемых циклическим воздействием бетононасоса, с максимальным значением нагрузки R = 4100 -, где Q — производительность бетононасоса, м3/ч; F — площадь выходного отверстия бетононасоса, см2. Допускается принимать напряжения от динамических нагрузок при работе бетононасоса равными 20 % от веса БРМ с бетонной смесью. Коэффициенты ответственности устанавливают: 0,95 — для ходовых рам и стоек БМР; 1,0 — для остальных конструкций. Коэффициенты перегрузки — до 1,2. 5.3. Виброуплотнители В целях вытеснения содержащегося в бетонной смеси воздуха и более компактного расположения ее составляющих при укладке эту смесь уплотняют с помощью вибраторов, сообщая ее частицам механические колебанрш. При вибрировании бетонная смесь приобретает повышенную подвижность, в результате чего вытесняется воздух и заполняются все пустоты между арматурой и опалубкой. От качества уплотнения зависит прочность и долговечность сооружения или изделия. В строительстве наибольшее распространение получили электрические и пневматические вибраторы с круговыми колебаниями. Последние применяются реже, так как работают от компрессорной установки. Основные параметры вибратора: вынуждающая сила, статический момент дебалансов, частота и амплитуда колебаний. Частоту колебаний вибратора подбирают в зависимости от подвижности бетонной смеси и размера фракций ее заполнителей. Смеси с крупными фракциями уплотняют вибраторами с низкой частотой и большой амплитудой колебаний. Преимущественно частота колебаний вибраторов соответствует средним фракциям заполнителей. Окончание вибрирования определяют по внешним признакам процесса уплотнения бетонной смеси: прекращение оседания смеси, появление цементного молока на ее поверхности и прекращение выделения воздушных пузырьков. По способу воздействия на уплотняемую бетонную смесь различают поверхностные, наружные (прикрепляемые к опалубке) и глубинные вибраторы. В качестве вибровозбудителей поверхностных и наружных вибраторов применяют одновальные электрические вибраторы общего назначения с круговыми колебаниями и встроенным электродвигателем. Возникающая при вращении дебалансов вынуждающая сила Р, Н, определяется зависимостью Р = Мс со2, где Мс — статический момент дебалансов, кг-см; со — угловая скорость дебалансов, рад/с; К = тсе, тс — масса дебалансов, кг; е — эксцентриситет дебаланса, см. Амплитуда колебаний а, см, вычисляется как а = Мс(тм + /ив), где тм — масса частей машины, приводимых в состояние колебания и жестко связанных с вибратором, кг; тв — масса вибратора, кг. Для регулирования вынуждающей силы каждый дебаланс выполнен из двух частей — поворотной и неподвижной относительно вала ротора, при изменении взаимного положения которых изменяется статический момент и значение вынуждающей силы. Частота вращения вала ротора электродвигателя равна частоте колебаний корпуса вибратора. По частоте колебаний различают вибраторы нормальной частоты, оснащенные электродвигателями
Рис. 5.4. Вибронаконечник с внешней (а) и внутренней (б) обкаткой бегунка-дебаланса с частотой вращения ротора 50 с-1, вибраторы низкой (< 50 с-1) и высокой частоты (> 50 с-1). В конструкциях вибраторов с электродвигателями используют напряжение 42 В при мощности 0,26...0,60 кВт, развивающие вынуждающую силу 2...9 кН с частотой колебаний 50 с-1. Вибраторы подключают к электрической сети переменного тока напряжением 220/380 В через понижающий трансформатор. Рабочий орган глубинных электровибраторов выполнен в виде цилиндрического вибронаконечника, погружаемого в уплотняемую бетонную смесь. Наружный диаметр и длину вибронаконечника выбирают такими, чтобы обеспечить беспрепятственное движение в зазорах между арматурой. Вибраторы могут быть ручными и навесными, их вибровозбудитель приводится в действие через гибкий вал от переносного электропривода. Вибронаконечник (рис. 5.4) состоит из корпуса 4, шпинделя 1, дебаланса-бегунка 5 и упругой муфты 2, позволяющей бегунку-дебалансу отклоняться от оси вращения шпинделя на расчетный угол. Колебания корпуса вибронаконечника создаются бегунком-дебалансом, планетарно обкатывающимся по конусной поверхности неподвижной втулки или сердечника 6. Бегунок-дебаланс выполнен заодно со штангой 3. Различают вибронаконечники с внутренней и внешней обкаткой дебаланса. Подбором соотношения диаметров втулки (сердечника) и бегунка-дебаланса можно получить высокую частоту колебаний корпуса вибронаконечника при нормальной частоте вращения вала асинхронного электродвигателя 50 с-1 и напряжении 42 В. Контрольные вопросы 1.    Назовите основные машины для бетонных работ и их назначение. 2.    В чем назначение и каково устройство автобетоносмесителей? 3.    Назовите достоинства способа транспортирования бетонных смесей по трубам. 4.    Опишите устройство автобетононасоса. 5.    Как устроен и действует поршневой бетононасос? 6.    Опишите виброуплотнители бетонных смесей, их классификацию и основные параметры. 7.    Опишите устройство и принцип действия глубинного вибратора. МАШИНЫ ДЛЯ ДОБЫЧИ И ПЕРЕРАБОТКИ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ Предприятие по добыче и переработке каменных материалов для строительных целей, например для приготовления бетонных смесей, обычно состоит из карьера (добыча) и щебеночного завода (переработка). Основные виды работ, выполняемые при добыче каменных материалов: вскрышные, буровзрывные и погрузочно-транспортные. При переработке доставленный на завод крупнообломочный каменный фунт дробится с сортировкой полученного щебня по необходимым фракциям, товарный щебень складируется и отгружается потребителю (непосредственно на строительный объект, бетонный завод, предприятие по приготовлению сухих смесей). Для добычи каменных материалов в карьерах в основном используют те же машины, что и для производства подготовительных и земляных работ (бульдозеры, одноковшовые экскаваторы с автосамосвалами, фронтальные погрузчики, машины для бурения взрывных скважин). Так как крупные карьеры находятся на данном месте в течение длительного времени и подключены к электросетям, то в карьерах могут применяться одноковшовые экскаваторы 5-й или 6-й размерных групп, а также буровые станки с электроприводом. Соответственно заводы по переработке каменных материалов тоже являются стационарными предприятиями, где основными машинами и оборудованием являются камнедробилки, грохоты, конвейеры. Для отгрузки готового щебня используют одноковшовые экскаваторы или более эффективные одноковшовые погрузчики. При строительстве таких линейных объектов как автомобильные дороги, карьеры часто бывают небольшими, поэтому для изготовление щебня применяют передвижные дробильные установки на пневмоколесном ходу, которые периодически перемещают вдоль строящейся трассы. Обычно и на щебеночных заводах, и на передвижных дробильных установках технологический процесс переработки каменных материалов состоит из первичного и вторичного дробления (измельчения) в целях получения щебня с заданными размерами фракций. Применяют и трехстадийные процессы. Классификация процессов дробления по степени измельчения приведена в табл. 6.1. Таблица 6.1 Классификация дробления каменных материалов Вид дробления Максимальный размер, мм Степень измельчения Исходный материал Продукт Крупное Среднее Мелкое Тонкое Степень измельчения выражается отношением размера (диаметра) куска исходного материала к размеру куска (частицы) продукта дробления. Далее рассматриваются камнедробилки как ведущее оборудование заводов по производству щебня. 6.1. Камнедробилки Каменный материал перерабатывается в щебень в камнедробильных машинах, которые по конструктивному исполнению подразделяют на следующие основные виды: Рис. 6.1. Схема щековой дробилки со сложным качанием щеки: 1 — неподвижная плита; 2, 3 и 5 — футеровочные плиты; 4 — подвижная шека; 6 — маховики (два); 7— подшипник; 8— приводной вал с эксцентриком; 9, 11 и 14 — механизм регулирования размера разгрузочной щели; 10 — станина; 12 и 13 — устройство закрепления распорной плиты; 15 — распорная плита •    щековые (производительностью до 600 м3/ч); •    конусные (до 800 м3/ч); •    валковые (до 120 м3/ч). Наиболее распространены щековые дробилки со сложным качанием щеки (рис. 6.1). Они состоят из станины с неподвижной щекой, эксцентрикового вала, подвижной щеки, распорной плиты, 15 14 13 Рис. 6.2. Схема конусной дробилки среднего дробления: 1 — внутренний конус; 2 — вал; 3 и 6 — футеровка; 4 — качающая тарелка-питатель; 5, 9— наружный конус; 7— опорное регулировочное кольцо; 8 — фланец предохранительного устройства; 10 — сферический подпятник с бронзовым кольцом; 11 — приводной вал; 12— эксцентриковая втулка; 13 и 14 — система смазки; 15 — коническая передача оттяжного механизма, маховика. Щековые дробилки предназначены в основном для крупного и среднего дробления. Конусные дробилки выпускают двух видов: для первичного (крупного) и вторичного (среднего) дробления (рис. 6.2). Основными частями дробилок являются станина с неподвижным конусом, подвижный конус, вертикальный вал с нижней эксцентриковой опорой. По сравнению с щековыми, конусные дробилки сложнее, в 1,5—2 раза менее энергоемки и в 2—3 раза производительнее, кроме того, обеспечивают более высокое качество измельчения каменного материала. Валковые дробилки применяют для вторичного дробления (рис. 6.3) материалов небольших размеров. Дробление происходит между двумя параллельными горизонтальными валками, вращающимися навстречу друг другу. При трении о поверхности вращающихся валков материал затягивается в просвет между ними и дробится. 2 Рис. 6.3. Схема валковой дробилки: 1 — станина; 2 — валки; 3 — буферное устройство Расчет мощности привода дробилок основан на двух теоретических гипотезах процесса дробления: поверхностной и объемной. Поверхностная гипотеза исходит из предположения пропорциональности работы дробления А, кДж, сумме площадей поверхностей каменного материала, образующихся при его измельчении, т. е. А = 3A0D2(n - 1), где А0 — работа дробления условного кубика со стороной 1 см, уменьшающая его размер при дроблении в 2 раза; D — исходный размер дробимого куска в виде кубика; п — степень измельчения. Объемная гипотеза исходит из предположения пропорциональности работы дробления А объему дробимого куска (кубика), которая принимается по закону Гука л РМ А = - где Р — усилие дробления, кН; А/ =--деформация, L — размер куска (кубика), см; F — площадь его поперечного сечения, см2; Е — модуль упругости каменного материала, МПа. Так как Р = a F, где а — временное сопротивление камня сжатию, то после подстановки этих значений в начальное выражение для работы окончательно получаем где V — объем дробимого тела (кубика), см3. «Следы» приведенных выражений для работы дробления просматриваются в полуэмпирических формулах, используемых при расчетах мощности привода камнедробилок. Например, формула мощности привода шековой дробилки имеет вид: N = а2Вп (D2 - d2) где В — ширина входной щеки, см; d — размер продукта дробления, см. Оптимальная частота колебаний подвижной щеки определяется «о = —’ где t — полупериод колебаний (качаний) щеки t =./——; s — ход щеки, см; a — угол отклонения щеки от вертикали, град; g — ускорение свободного падения. При a = 20° (tga = 0,36) в среднем получаем "° 77 ' 6.2. Одноковшовые погрузчики Одноковшовые погрузчики находят широкое применение в строительном производстве, в том числе при добыче и переработке каменных материалов, обеспечивая погрузку в транспортные средства сыпучих и кусковатых грунтов, а также других строительных материалов. На погрузочно-разгрузочных работах колесные погрузчики в 2—3 раза производительнее, чем одноковшовые экскаваторы той же массы, поэтому эффективны при работе на складах готовой продукции щебеночных заводов. Все крупнейшие зарубежные фирмы по производству СДМ выпускают большое количество одноковшовых погрузчиков для строительных работ и горного дела (большей мощности). Так, фирма John Deere производит более 60 колесных моделей и их модификаций с вместимостью ковшей от 0,8 до 5,6 м3. Одноковшовые колесные погрузчики (рис. 6.4) базируются на самоходных двухосных шасси, обеспечивают разгрузку ковша вперед (отсюда название фронтальные погрузчики) на любой отметке в пределах заданной высоты. Обе оси колесного шасси погрузчиков обычно ведущие, а рама, состоящая из двух полурам, выполняется шарнирно сочлененной для поворота машины при движении на угол в плане ±40°. Привод рабочего оборудования и механизма поворота погрузчиков гидравлический. На передней полураме смонтировано погрузочное оборудование и жесткозакрепленный передний мост. На задней полураме установлены двигатель с силовой гидромеханической трансмиссией, задний мост и кабина оператора. Рис. 6.4. Схема одноковшового колесного погрузчика: 1 — кабина; 2 — двигатель; 3 — редуктор отбора мощности; 4 — унифицированные ведущие мосты (задний); 5 — шарнирное сочленение рамы; 6 — гидроцилиндр подъема стрелы; 7— стрела; 8 — ковш; 9 — коромысло; 10 — гидроцилиндр поворота ковша Задний мост с балансирной подвеской может качаться относительно продольной оси погрузчика, что обеспечивает более высокие тяго-во-сцепные качества машины. Рабочее оборудование включает ковш и рычажную систему, состоящую из стрелы, коромысла, тяг и системы гидроцилиндров. Вместимость ковшей погрузчиков, применяемых в строительстве, обычно составляет 1...4 м3, а грузоподъемность — до 8 т в зависимости от типоразмера машины. По грузоподъемности погрузчики подразделяют на легкие — до 2 т, средние — до 4 т, тяжелые — до Юти большегрузные — более Ют. Последние предназначены для использовании в горном деле. Основной ковш имеет прямолинейную кромку со съемными зубьями; его ширина соответствует поперечному габариту машины. Вместо основного ковша на рабочее оборудование погрузчиков (легких и средних) могут устанавливаться сменные рабочие органы (ковши, захваты и др.). Современные погрузчики оснащаются аварийно-предупредительными системами сигнализации, кабины погрузчиков — устройствами защиты операторов при опрокидывании (ROPS) и от падающих предметов (FOPS). Фирма Liebherr устанавливает на выпускаемые машины гидростатический привод (рис. 6.5), в котором регулируемые по давле- 2 Рис. 6.5. Гидростатический привод погрузчика: 1 — блок радиаторов; 2 — дизельный двигатель; 3 — гидронасосы; 4 — замкнутый контур; 5 — гидромоторы; 6 — коробка передач с раздаточной коробкой; 7 — мосты нию гидронасосы работают в замкнутом контуре с гидромоторами без гидротрансформатора. По сравнению с традиционной трансмиссией, оборудованной гидротрансформатором, гидростатический привод обеспечивает следующие преимущества: •    снижение расхода топлива примерно на 40 % за счет постоянной работы двигателя на средних оборотах; •    увеличение срока службы шин на 25 % благодаря более равномерному распределению тяговой нагрузки по мостам, особенно при трогании с места с груженым ковшом; •    торможение без использования рабочих тормозов, которые практически не подвергаются износу. Заполнение ковша погрузчика грунтом производится под воздействием тягового усилия при движении машины на штабель с опущенным ковшом, совмещаемым затем с подъемом и поворотом последнего. Наполненный ковш поворачивается и приподнимается, а погрузчик отъезжает от штабеля, подъезжает к транспортному средству, поднимает ковш и разгружает его опрокидыванием. После этого рабочий цикл повторяется. В качестве примера ниже приведены технические характеристики отечественного одноковшового погрузчика ПК-40-02 (изготовитель ОАО «Погрузчик», г. Орел): Грузоподъемность, т .................... 4 Вместимость ковша, м3.................. 1,95 Ширина ковша, м....................... 2,48 Высота выгрузки, м ..................... 2,8 Мощность двигателя, кВт................ 10 Скорость, км/ч .........................До 30 Масса, т................................ 9,93 При расчете металлоконструкций одноковшовых погрузчиков следует рассматривать сочетание нагрузок в соответствии с расчетными положениями, приведенными в РД ВНИИстройдормаша [3]. Расчетное положение 1. Удар краем ковша или крайним зубом в труднопреодолимое препятствие при движении погрузчика по горизонтальной поверхности, гидроцилиндры заперты. Нагрузка на ковш, кН Ру = т + vyJmc, где Т — сила тяги погрузчика по сцеплению или по максимальному давлению в гидрообъемной передаче, т; vy — скорость в момент удара (1,7 м/с); m — приведенная масса (с учетом вращающихся масс); с — приведенная жесткость препятствия, кН/м, принимается 6,5- 103для погрузчиков грузоподъемностью не более 5 т и 11-103 для погрузчиков грузоподъемностью свыше 5 т. Расчетное положение 2. Внедрение ковша в штабель материала с вывешиванием погрузчика относительно передних колес (начальная рабочая скорость 0,7 м/с). Расчетное положение 3. Заглубление ковша при движении вперед и вывешивании погрузчика на режущей кромке ковша и задних колесах с начальной рабочей скоростью 0,7 м/с. Коэффициенты перегрузки принимают: К = 1,2 при расчетном положении 1; К — 1,4 при расчетных положениях 2 и 3. Кроме того, необходимо провести проверку устойчивости погрузчика против опрокидывания. Контрольные вопросы 1.    Что представляет собой предприятие по добыче и переработке каменных материалов? 2.    Назовите процессы дробления каменных материалов и их виды. 3.    Перечислите основные типы камнедробилок. Как они устроены? 4.    Назовите две гипотезы, применяемые для расчета мощности привода камнедробилок. В чем их сущность? 5.    Как определяют оптимальную частоту качаний подвижной щеки камнедробилки? 6.    Как устроен и работает одноковшовый фронтальный погрузчик? 7.    Каковы преимущества одноковшовых погрузчиков с гидростатическим приводом. 8.    Почему одноковшовые погрузчики эффективнее экскаваторов на погрузочных работах? Глава 7 ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ И КАЧЕСТВА СДМ 7.1. О недостаточности показателя энергоемкости рабочего процесса СДМ для оценки их эффективности В гл. 3 было показано, что удельное сопротивление копанию фунтов землеройными машинами К', а также энергоемкость рабочего процесса СДМ Е, являются важнейшими показателями эффективности СДМ и широко применяются при расчетах и испытаниях. Однако использование показателя энергоемкости К'(Е) в качестве единственного критерия эффективности технических решений, принимаемых при разработке и постановке на производство новых СДМ, может приводить к заблуждениям. В качестве примеров таких ошибок в поиске эффективных технических решений рассмотрим три из еще сохранившихся в памяти известных разработок, уже ставших достоянием истории техники: экскаваторные ковши ЦНИИС со сплошной полукруглой режущей кромкой; скрепер Д-542 с криволинейными ножами и днищем; роторные стреловые экскаваторы строительного типа.
<<< Предыдущая страница  1     Следующая страница >>>


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