Машини для земляних робіт

54

Вступ

Супіщані ґрунти містять в невеликій кількості глинистих частинки, що додає зв'язність цим ґрунтам. Значний зміст піщаних частинок створює жорсткість скелета, тому супіщані ґрунти при підвищенні вогкості більше, ніж глинисті, зберігають стійкість.

Землерийні і ґрунтоущільнюючі машини під час роботи взаємодіють з ґрунтом. Робочий орган землерийної машини розробляє ґрунт і прибирає його із забою. Ґрунтоущільнююча машина, діючи на ґрунт, змінює його густину. Гусениці або ходові колеса машин і ґрунт постійно взаємодіють. Таким чином, властивості ґрунтів представляють істотний інтерес при розгляді питань їх розробки і ущільнення, а також для вивчення руху машин по поверхні ґрунту.

Ґрунти є складними дисперсними тілами, що полягають при постійній температурі з трьох або двох фаз: твердої, рідкої і газоподібної або твердої і рідкої. Ґрунти, що складаються з твердої і газоподібної фаз, в природних умовах зустрічаються рідко. При негативній температурі до складу ґрунту входять не тільки мінеральні зерна, вода і гази, а також і лід.

Властивості кожної з фаз, кількісні співвідношення і взаємодія між ними визначають специфічну фізичну і хімічну природу ґрунтів і їх будівельні властивості.

Для оцінки фазового складу ґрунтів застосовуються характеристики, якими виражають кількісні відносини між об'ємами твердих мінеральних частинок, води і газу.

Характеристики ґрунтів багато в чому залежать від складу ґрунту, тобто від відносного вмісту в ньому частинок різної крупної, а також від густини і вогкості його.

Піщані ґрунти володіють високим коефіцієнтом внутрішнього тертя, малозв'язані, добре водопроникні, малоущільнені, мають невелику висоту капілярного підняття, непластичні, при зволоженні трохи знижують опір навантаженням. Рух машин по сипких пісках утруднений.

Піщані пилуваті ґрунти можуть характеризуватися як малозв'язні, непластичні і водопроникні. Особливістю цієї групи фрунтів є те, що вони легко розріджуються і втрачають несучу здатність при зволоженні.

Супіщані дрібні ґрунти містять велику кількість пилуватих частинок, що робить їх нестійкими в зволоженому стані. Ці ґрунти малопластичні і при зволоженні легко деформуються.

Пилуваті ґрунти при зволоженні переходять в стан пливунів і різко знижують опір навантаженням. Легко розмиваються водою, схильні до комкоутворюванню.

Суглинні ґрунти пластичні, володіють великою зв'язністю в сухому стані, але швидко втрачають її при зволоженні.

Важкі суглинні ґрунти. Властивості зв'язності, пластичності, стисливості і низької водопроникності виражені сильніше, ніж у суглинних ґрунтів.

Глини володіють великою зв'язністю, густиною і пластичністю. Практично водонепроникні.

Глини, суглинки і супіски відносяться до групи глинистих ґрунтів.

Фізичні характеристики ґрунтів

В природних умовах ґрунти можуть мати різний фізичний стан: піщані - від щільного до вельми рихлого, глинисті - від твердого до текучого.

Для оцінки ґрунтів, як середовища для земляних робіт, необхідно знати їх властивості і стан.

Пористістю ґрунтів називається об'єм пір (зайнятих водою і повітрям), виражений у відсотках від загального об'єму ґрунту:

Коефіцієнт пористості - відношення об'єму пір (зайнятих водою і повітрям) до об'єму твердих частинок ґрунту:

Вагова вогкість - відношення ваги води до ваги сухого ґрунту:

при якій максимальна густина ґрунту може бути досягнута при якнайменшій витраті механічної роботи.

Питомою вагою ґрунту А наливається відношення ваги твердих частинок ґрунту до об'єму ними рідини.

Глини і ґрунти знаходяться в пластичному стані в межах вогкості, характеризуючи межу розкочування і межу текучості. Межею розкочування (межею пластичності) наминають вагову вогкість (у відсотках), при якій тісто, виготовляють з грунту і води і розкочуване в джгут деякою товщиною, починає кришитися.

Межею (межею) текучості називають вагову вогкість тесту, виготовленого з ґрунту і води, при якій прилад - «балансирний конус» занурюється під дією власної ваги 76 Г. за 5 сік на глибину 10 мм Кут конуса при вершині рівний 30°.

Числом пластичності називають різницю між межею текучості і межею розкочування:

Ґрунти вважаються сухими, якщо водою заповнено не більше 1/3 об'єму пір; вологими - при заповненні від до 2/3 об'єму пір і мокрими - при більшому заповненні пір водою.

Об'ємна вага - відношення ваги ґрунту при природній вогкості до його об'єму V:

Об'ємна вага ґрунтів звичайно коливається в межах 1,5 - 2,0 Т/м³ залежно від мінералогічного складу, пористості і вогкості. Об'ємна вага робить істотний вплив на витрату енергії при підйомі і транспортуванні грунту.

Об'ємна вага скелета грунту

Об'ємною вагою скелета звичайно користуються при визначенні ступеня ущільнення грунту.

Найбільша густина грунту, одержана методом стандартного ущільнення, називається максимальною стандартною густиною, а відповідна їй вогкість - оптимальною вогкістю.

Консистенція зв'язних ґрунтів залежно від змісту води може мінятися в значних межах - від текучої до твердої.

Кількісний вираз консистенції глинистих ґрунтів визначається показником консистенції

Значення показника В для різних консистенцій глинистих грунтів приводяться нижче:

Тверда консистенція Менше 0

Напівтверда 0-0,25

Тугопластична 0,25-0,50

М'яко-пластична 0,5-0,75

Текучопластична 0,75-1,00

Текуча Більше 1,00

За рубежем консистенція глинистих грунтів останнім часом визначається по межі міцності циліндрового зразка Р (кГ/см²) при стисненні його уздовж осі до роздавлювання згідно наступним межам:

Дуже м'яка Менше 0,25

Жорстка 1-2

М'яка 0,25-0,50

Дуже жорстка 2-4

Средньожжорстка 0,5-1,0

Надзвичайно жорстка Більше 4

Клейкість - здатність грунту прилипати до різних предметів - властива більшості пластичних ґрунтів при достатній вогкості і малому змісті піску, тобто для супіску, суглинком і глин.

Фізико-механічні властивості ґрунтів

Розпушуванням називають здатність грунту збільшуватися в об'ємі при розробці. При розпушуванні зменшується об'ємна вага грунту. Коефіцієнт розпушування характеризує відношення об'єму розпушеного грунту до об'єму, який він займав в природному заляганні. З часом розпушений ґрунт ущільнюється, але зберігає деяку залишкову розпушеність.

Середні значення коефіцієнта розпушування коливаються в межах 1,08-1,32, а коефіцієнт залишкового розпушування - в межах 1,01-1,09. Великі значення відносяться до важких ґрунтів. Коефіцієнти розпушування мерзлого грунту приблизно відповідають коефіцієнтам розпушування висаджених скельних порід і коливаються в межах 1,5-1,6. Чим більше при руйнуванні грунту розміри окремих його шматків, тим менше коефіцієнт. Тому величина його зменшується із збільшенням робочого органу машини і залежить від типу органу, що розробляє ґрунт.

Опір грунту зсуву. В розрахунках землерийних машин і їх робочих органів використовують коефіцієнт внутрішнього тертя грунту і коефіцієнт зчеплення грунту, обумовлюючі опірність ґрунтів зсуву.

Зв'язність грунту залежить головним чином від його гранулометричного складу, вогкості і густини. В пісках, навіть вологих, зв'язність виявляється в незначному ступені, і тому ґрунти відносять до незв'язних. Супіску можна віднести до малозв'язних ґрунтів. Зв'язність особливо стає помітною у суглинком і глин, тому останні відносять до ґрунтів зв'язних.

В основу опору ґрунтів зсуву встановлений закон Кулона про прямолінійну залежність граничного опору грунту Зсуву т від нормальних напруг:



Для ґрунтів, що не володіють зчепленням С = 0 (наприклад, сухі піски), вказана формула приймає вигляд

Внутрішнє тертя ґрунтів характеризується величиною кута внутрішнього тертя, тангенс якого рівний коефіцієнту внутрішнього тертя

Мал. 1. Залежність кута внутрішнього тертя від вогкості

Мал. 2. Залежність зчеплення від коефіцієнта водонасичення (ступені ущільнення) і вогкості:

Опірність грунту зсуву залежить від швидкості зсуву. Властивості ґрунтів більшою мірою залежать від їх складу і стану. Враховуючи це, орієнтовні значення кута внутрішнього тертя і коефіцієнта зчеплення.

Кут природного укосу. При відсипанні з деякої висоти розпушений ґрунт відкладається у вигляді конуса. Кут у підстави конуса називається кутом природного укосу.

Кут природного укосу залежить від виду грунту і його вогкості і обумовлюється кутом внутрішнього тертя і коефіцієнтом зчеплення.

Якщо розпушений ґрунт лежить на горизонтальній площині, що скоює вертикальні коливання, то кут його природного укосу буде менше ніж на площині, що знаходиться в стані спокою.

Коефіцієнт тертя сталі по ґрунтах порушеної структури, як показують досліди Ю.А. Ветрова, складає приблизно 2/1 величини коефіцієнта тертя по ґрунтах непорушеної структури.

Вогкість грунту є найістотнішим чинником, що впливає на коефіцієнт тертя. При зміні вогкості від повітряно-сухого стану до максимальної капілярної вологоємності коефіцієнт тертя об сталь може зменшитися в 2 рази і більш.

Коефіцієнт тертя грунту об сталь залежно від вогкості виражається (по Ю.А. Ветрову)

Між коефіцієнтами внутрішнього тертя і коефіцієнтом тертя грунту об сталь є зразкова залежність

Коефіцієнтом бічного розширення називається відношення відносної деформації бічного розширення до відносної деформації стиснення зразка.

Якщо стискати ґрунт в умовах неможливості бічного розширення, наприклад в судині з жорсткими стінками, стискаюча сила, ущільнюючи ґрунт, викликає тиск грунту на бічні стінки, що обмежують розширення грунту.

Збільшення стискаючого тиску викликає у відповідь збільшення бічного тиску; відношення приросту бічного тиску до приросту стискаючого тиску характеризується коефіцієнтом бічного тиску, тобто

Лабораторні випробування показали, що коефіцієнт бічного тиску можна розглядати як відносно постійну характеристику грунту.

Коефіцієнт бічного тиску пов'язаний з коефіцієнтом бічного розширення грунту.

Ця залежність виглядає таким чином:

Коефіцієнт бічного тиску збільшується із зростанням коефіцієнта тертя насипного грунту об стінки ковша.

В граничному випадку, коли коефіцієнт тертя об стінки рівний коефіцієнту внутрішнього тертя коефіцієнт бічного тиску

Р.І. Покровській, користуючись методами статистичної механіки, встановив зв'язок між коефіцієнтом бічного тиску сипкого тіла, кутом його внутрішнього тертя, величиною зчеплення і тиском випробовуваним сипким тілом. Цей зв'язок виражається формулою

Модуль деформації грунту аналогічний модулю пружності однорідних тіл (металу і ін.), проте між ними є і істотні відмінності, які полягають в наступному:

модуль деформації грунту визначається по загальній деформації (оборотної і необоротної);

модуль деформації одного і того ж грунту змінюється при коливанні вогкості і густини грунту;

оскільки деформація ґрунтів має нелінійний характер, модуль деформації може характеризувати ґрунт в малих інтервалах напруг.

Не дивлячись на вказані вище умовності, вважають, що крива Опору грунту вдавлюванню штампу при визначенні модуля деформації є основною характеристикою міцності грунту при розрахунках товщини дорожнього одягу.

Модуль деформації грунту прийнято визначати по кривій опору грунту вдавлюванню циліндрового штампу:

Опір грунту вдавлюванню визначається коефіцієнтом опору тому, що зім'яв - навантаженням на 1 см², під дією Якого опорна поверхня занурюється на 1 см. Навантаженням, що допускається, вважається таке, яке викликає занурення не більш ніж на 6-12 см. Величина ця дещо міняється залежно від розмірів опорних частин, але ця зміна менше ступеня точності визначення вказаного коефіцієнта.

Опір грунту різанню звичайно характеризується питомим опором чистого різання (в кГ 1м²), тобто зусиллям, віднесеним до одиниці площі поперечного перетину вирізуваного пласта грунту.

Ця величина міняється у великих межах, оскільки залежить від режиму роботи, параметрів робочого органу і наступних параметрів грунту: об'ємної ваги, кутів внутрішнього і зовнішнього тертя, питомої сили зчеплення. Перераховані параметри грунту в основному визначаються його гранулометричним складом, вогкістю, густиною і температурою.

А.Н. Зеленин запропонував оцінювати приналежність грунту до тієї або іншої категорії по числу ударів ударника. Вантаж 2,5 кГ падає з висоти 400 мм і ударяється про буртик наконечника, проводячи за один удар роботу, рівну 1 кГ-м. Наконечник зроблений у вигляді циліндрового стрижня заввишки (завдовжки) 100 мм з площею поперечного перетину, рівною 1 см².

Число ударів, необхідне для занурення наконечника в ґрунт, рівне -30 для немерзлих ґрунтів і 30 - 360 для мерзлих суглинних і глинистих ґрунтів в діапазоні температур від -1 до -15°.

Загальна характеристика робочого процесу. Класифікація машин для земляних робіт

Земляні роботи є складовою частиною будівництва більшості інженерних споруд. Вони включають: уривку котлованів, траншей і меліоративних каналів; зведення насипів, дамб; пристрій закритих проходок в ґрунті у вигляді шахт і тунелів під різні підземні споруди; буріння горизонтальних, похилих і вертикальних свердловин при безтраншейній прокладці трубопроводів під насипами залізних і шосейних доріг, для установки опор паль в щільних ґрунтах, для закладки зарядів вибухових речовин при розробці ґрунтів вибухом і т. п.

По характеру робочого процесу, складу операцій і послідовності їх виконання земляні споруди ділять на виїмки і насипи. Виїмка утворюється в результаті видалення надлишків грунту за її межі, а насип - шляхом відсипання грунту, внесеного ззовні, з його пошаровим ущільненням. Остання операція обумовлена необхідністю відновлення щільного стану грунту в насипі, який був їм втрачено при відділенні від масиву унаслідок розпушування. Видалений з виїмок ґрунт укладають у відвали, а для відсипання насипів його доставляють з кар'єрів або резервів, розташованих поблизу споруджуваному насипу. Якщо виїмки чергують з насипами, як, наприклад, в дорожньому будівництві, то витягуваний з виїмок ґрунт звичайно використовують для відсипання насипів. Для кожної з перерахованих технологічних схем виробництва земляних робіт - виїмка-відвал, резерв-насип - характерні операції відділення грунту від масиву, його переміщення і відсипання. При зведенні насипів додається операція ущільнення грунту, а загальною для насипів і виїмок є планувальна операція, якої ці інженерні споруди доводяться до проектних розмірів. При плануванні зрізаються виступи і засипаються западини подібно розробці резервів і відсипанню насипів, але тільки в розмірах мікрорельєфу планованої поверхні. Ту ж структуру робочого процесу має розробка кар'єрів будівельних матеріалів (піску, гравію і т. п.), а також видобуток корисних копалин відкритим способом. Відмінність полягає в тому, що ні забій, ні відвал не є інженерними спорудами, а планування дна кар'єру (підошви забою) виконують лише для зручності пересування по ньому машин і підготовки стійкої підстави для їх роботи.

Відділення грунту від масиву - руйнування - є основною операцією процесу його розробки. Найбільше поширення в будівництві (близько 85% від загального об'єму земляних робіт) набув механічний спосіб руйнування ґрунтів, при якому ґрунт відділяється від масиву унаслідок контактної силової дії на нього землерийного робочого органу. Енергоємність цього способу складає, 0,05…0,6 кВт-ч/м³. Міцні ґрунти і гірські породи руйнують вибухом з використанням вибухових речовин, які закладають в спеціально пробурені свердловини. Цей спосіб найдорожчий, але дозволяє істотно скоротити терміни виробництва робіт. Близько 12% ґрунтів розробляють гідромеханічним способом шляхом відділення грунту від масиву струменем води під високим тиском або в поєднанні з механічним способом. Енергоємність процесу складає 0,15…2 кВт-ч/м³.

Робочі органи машин, призначені тільки для відділення грунту від масиву механічним способом, використовують лише у разі розробки вельми міцних ґрунтів на стадії їх попереднього розпушування. Переважно робочі органи також переміщають і відсипають ґрунт у відвали, насипи або транспортні засоби, виконуючи ці операції після відділення грунту від масиву і його захоплення або суміщаючи повністю або частково перераховані операції в часі. Ґрунт може переміщатися до місця відсипання тільки за рахунок рухів робочого органу або за рахунок переміщення всієї машини. В конструкціях землерийних машин безперервної дії завершальну стадію транспортування грунту виконує спеціальний транспортуючий орган, наприклад, типу стрічкового конвеєра. Відсипають ґрунт шляхом звільнення від нього робочого або транспортуючого органу в кінці транспортної операції. У разі гідромеханічної розробки ґрунт переноситься до місця намивання в потоці води, а при вибуховому способі він відкидається в сторони розширяються газами, що утворюються унаслідок вибуху. Грубе планування земляних поверхонь виконують тими ж землерийними робочими органами шляхом більш чіткої координації їх руху, а для точного планування застосовують спеціальні робочі органи або машини. Ущільнення грунту полягає в компактному укладанні його частинок, унаслідок чого зменшується об'єм грунту і збільшується його густина. Для цього застосовують спеціальні машини і устаткування. Частково ґрунт може ущільнюватися транспортними засобами, що також переміщаються по його поверхні.

В загальному комплексі робіт на будівельному об'єкті земляні роботи частіше за все виконують раніше інших. В цьому випадку їм передує підготовка будівельного майданчика - видалення каміння, зрізає чагарника, корчування пнів, планування і засипка ям і т. п. Велику частину цих робіт виконують землерийними машинами, обладнаними спеціальними робочими органами. У зв'язку з цим машини для підготовчих робіт розглядають разом з машинами для земляних робіт. До підготовчих робіт також відносять попереднє розробці спушення міцних і мерзлих ґрунтів.

Машини для земляних робіт класифікують за призначенням, режиму роботи, ступеню рухливості і іншим ознакам. Класифікація за призначенням умовна, оскільки приводи, ходові пристрої і інші структурні елементи сучасних машин дозволяють використовувати одну і ту ж їх базову частину для роботи з різними видами змінного робочого устаткування, нерідко різного за призначенням. Універсальність машин істотно розширює область їх вживання, сприяє їх кращому використовуванню за часом, особливо в умовах невеликих об'ємів однотипних робіт, виконуваних будівельною організацією, більш ефективної організації технічного обслуговування. Універсальні машини класифікують по основних видах виконуваних ними робіт, визначуваних по техніко-експлуатаційних, економічних і інших міркуваннях. Розрізняють землерийні машини для уривки і переміщення грунту в межах зони досяжності робочого устаткування (одно- і багатоковшові екскаватори), землерийно-транспортні машини для пошарової розробки грунту і переміщення його на великі відстані (бульдозери, скрепери, грейдери, грейдер-елеватори), машини для підготовчих робіт, машини і устаткування для ущільнення ґрунтів, для буріння свердловин, у тому числі в міцних і мерзлих ґрунтах при їх руйнуванні вибухом, устаткування для гідромеханічної розробки, а також машини і устаткування для розробки ґрунтів в особливих умовах. Машини для планувальних робіт відносяться до групи землерийно-транспортних машин і частково до екскаваторів (екскаватори-планувальники).

По режиму роботи дані машини бувають циклічної і безперервної дії. До останніх відносяться багатоковшові екскаватори, деякі види землерийно-транспортних машин, устаткування для гідромеханічної розробки ґрунтів, а також деякі види машин для роботи в особливих умовах. Решта машин працює в циклічному режимі, виконуючи операції робочого циклу послідовно або з їх частковим поєднанням в часі.

Мал. 3. Основні види робочих органів машин для земляних робіт: а - зуб розпушувача; б…ж - екскаваторні ковші прямої і зворотної лопат, драглайна, навантажувача, грейфера, планувальника; з - ківш скрепера; і - відвал бульдозера

По ступеню рухливості машини для земляних робіт відносяться переважно до пересувних самохідних або причіпних, за винятком деяких видів устаткування для ущільнення ґрунтів, буріння свердловин під вибух, устаткування гідромеханізації, а також деяких машин і устаткування для роботи в особливих умовах. Ці машини тривалий час працюють на одному будівельному майданчику, вони не мають власних ходових пристроїв і по цих ознаках відносяться до напівстаціонарних. По інших ознаках на машини для земляних робіт розповсюджуються положення, приведені раніше в загальній класифікації будівельних машин.

Землерийні робочі органи і їх взаємодія з ґрунтом

Робочі органи, за допомогою яких ґрунт відділяється від масиву (зуби ковшів, бульдозерних відвалів, розпушувачів - мал. 3, а), називають землерийними. В конструкціях землерийних і землерийно-транспортних машин, робочий процес яких складається з послідовно виконуваних операцій відділення грунту від масиву, його переміщення і відсипання, землерийні робочі органи суміщають з транспортуючими - ковшами (екскаватори, скрепери) або відвалами (бульдозери, грейдери), називаючи перші ковшовими, а другі - відвальними. Ковшовий робочий орган є місткістю з ріжучою кромкою, оснащеною зубами (мал. 3, б…г, е) або без них (мал. 3, д, же, з). Ковші з ріжучими кромками без зубів частіше застосовують для розробки малозв'язких пісків і супісків, а ковши із зубами - в основному для розробки суглинків, глин і міцних скельних ґрунтів.

Мал. 4. Параметри ріжучого клина

В режимі розробки грунту ківш переміщається так, що його ріжуча кромка або зуби упроваджуються в ґрунт, відділяючи його від масиву. Розпушений ґрунт поступає в ківш для подальшого переміщення в ньому до місця розвантаження. Відвальні робочі органи обладнають в нижній частині ножами (мал. 3, і), в цьому випадку їх називають ножовими. Для руйнування більш міцних ґрунтів на ножі додатково встановлюють зуби. Робочий процес відвального робочого органу аналогічний описаному вище. Ріжуча частина землерийного робочого органу має форму загостреного клина (мал. 4), обмеженого передньою 1 і задньої 3 гранями. Лінію перетину цих граней 2 називають ріжучою кромкою. Параметрами ріжучого клина служать: кут загострення v, кут різання 6 і задній кут 8. Кути 6 і 8 утворюються нахилом відповідно передній і задній граней до напряму руху ріжучого клина. Упроваджуючись в ґрунт, ріжучий клин відділяє його частину, звану стружкою. Форма і розміри останньої залежать від виду грунту, що розробляється (мал. 5, а…в). Після проходки ріжучого клина в ґрунті утворюється виїмка з трапецеїдальним поперечним перетином, що розширяється догори (мал. 5, г). Ґрунт відділяється від масиву по граничних поверхнях виїмки шляхом зсуву по частині периметра BCDE і відривом по поверхнях АВ і EF. Співвідношення розмірів поперечного перетину виїмки різні для різних ґрунтів: зв'язним ґрунтам, що сколюються, відповідають великі, а пластичним ґрунтам - менші розширення ґрунтового прорізу в її верхній частині.

Експериментально встановлено, що для одних і тих же ґрунтів при певній ширині ріжучої кромки b із збільшенням товщини зрізу з докладені до робочого органу зусилля ростуть повільніше за площу поперечного перетину виїмки. Така закономірність, що характеризується зниженням енергоємності даного процесу при збільшенні товщини зрізу, спостерігається до певної межі, званої критичною глибиною різання. При подальшому збільшенні товщини зрізу енергоємність процесу зростає. При цьому змінюється в основному глибина центральної частини прорізу (штрихова лінія на мал. 5, г), а розмір по верхній частині практично залишається незмінним. Отже, для зниження енергоємності розробки грунту товщину зрізу необхідно підтримувати на рівні її критичного значення. Цього добиваються як при експлуатації машин шляхом управління робочими рухами, так і при створенні машин підбором відповідної ширини ріжучої кромки землерийного робочого органу.



Мал. 5. Характерні форми ґрунтових стружок при розробці пластичних (а), сипких (б) і сколюються (в) ґрунтів і поперечний перетин прорізу в ґрунті після проходки ріжучого клина (г)

Мал. 6. Поперечні перетини ґрунтових прорізів при пошаровій розробці ґрунтів з тим, що розташовує ріжучих робочих органів (зубів) по гребенях (а) і западинах (би), утворених після попередньої проходки.

Звичайно ґрунти розробляють пошарово, знімаючи подальший шар після попередньої проходки робочого органу або серії таких проходок. Перед зняттям чергового шару, окрім першого, належна розробці поверхня грунту є чергуючими гребенями і западинами, утвореними в результаті попередніх проходок (мал. 6). При подальшій розробці грунту по гребенях (мал. 6, а) затрачується менше енергії, ніж при розробці по западинах (мал. 6, б) унаслідок того, що в другому випадку долаються в основному опори зсуву грунту, які по питомих значеннях (на одиницю площі поверхні, по якій відбувається відділення грунту) значно перевершують опори відриву грунту, характерні для першого випадку. Перша схема також переважна за сумарною площею поперечного перетину відокремленого від масиву грунту, а отже, вона забезпечує більш високу продуктивність. Результати цього аналізу широко використовуються в практиці розробки ґрунтів, а також при проектуванні робочих органів багатоковшових екскаваторів, де ріжучі елементи розташовуються в певному порядку, що забезпечує мінімум енергоємності землерийного процесу.

Для підвищення зносостійкості ріжучих робочих органів передню грань зміцнюють твердим сплавом у вигляді наплавлень зносостійкими електродами або напайок з металокерамічних твердосплавних пластин. Останні більш ефективні в порівнянні з наплавленнями. Вони володіють високою твердістю (дещо вищий твердості оксиду кремнію, що міститься в піщаних ґрунтах), але схильні крихкому руйнуванню при зустрічі з валунами.

По суті, питомим опором грунту копанню визначається трудність його розробки. По цьому критерію, а також по середній густині в щільному стані ґрунти ділять на групи, що використовуються для визначення норм вироблення при механізованих земляних роботах. Згідно цієї класифікації одні і ті ж ґрунти можуть бути віднесені до різних груп залежно від того, якими машинами вони розробляються. Це утрудняє порівняльну оцінку землерийних машин, що реалізовують різні способи розробки ґрунтів, у зв'язку з чим при проектуванні і випробуваннях вказаних машин користуються науково обґрунтованою класифікацією немерзлих землистих ґрунтів по методу проф. А.Н. Зеленіна, в основу якої встановлена опірність ґрунтів упровадженню в них плоского штампу - стрижня.

Як наголошувалося вище, землерийні робочі органи звичайно об'єднують з транспортуючими ковшовими або відвальними органами, конструкція, форма і розміри яких повинні задовольняти вимогам землерийного процесу. Основним параметром ковша є його місткість, яка повинна бути достатньою для накопичення в ньому грунту, відритого за один робочий цикл. Розраховувавши місткість ковша, враховують, що при розпушуванні ґрунт збільшується в об'ємі. Це збільшення характеризується коефіцієнтом розпушування, рівним відношенню об'ємів грунту певної маси після і до розпушування. Ту ж здатність накопичувати ґрунт перед відвальним робочим органом оцінюють завдовжки і заввишки останнього, а також розмірами бічних щок і открилків. При розрахунку цих розмірів окрім розпушування грунту враховують його здатність зберігати стійке положення в природному укосі, що характеризується або крутизною укосу, рівною відношенню його заставляння до висоти, або кутом природного укосу по відношенню до горизонту, який змінюється для сухих ґрунтів від 25° (для дрібних пісків) до 50° (для суглинків). З підвищенням вогкості цей коефіцієнт зменшується в більшій мірі для зв'язних глинистих, рослинних і торф'янистих ґрунтів, складаючи 14…15° в їх мокрому стані в меншій мірі для малозв'язних пісків, суглинків і гравію - 20…35°.

Велика частина ґрунтів, особливо вологих, володіє здатністю прилипати до робочих поверхонь землерийних і транспортуючих робочих органів. При розвантаженні частина грунту залишається на внутрішніх поверхнях робочого органу, унаслідок чого зменшується його місткість, підвищуються опори переміщенню грунту по робочому органу, знижується продуктивність землерийної машини. Цю властивість ґрунтів враховують при конструюванні і виготовленні землерийних робочих органів, надаючи їм відповідні форми, а також обладнавши їх спеціальними очисними пристроями. В процесі експлуатації землерийних машин їх робочі органи періодично очищають зовнішніми засобами, крім того, здійснюють газову і рідинну мастила робочих поверхонь землерийних органів, їх облицьовування полімерами і ін. Проте широкого промислового вживання останні три способи поки не одержали через їх дорожнечу і складну технологію виробництва.

Описана вище взаємодія землерийних робочих органів з ґрунтом справедлива головним чином для ґрунтів немерзлого стану. При замерзанні властивості ґрунтів змінюються перш за все через цементуючий вплив замерзлої води, що знаходиться в їх порах, підвищуються їх міцність, абразив, зв'язність. Розробка таких ґрунтів традиційними способами стає малоефективною.

Екскаватори

Екскаватором називають землерийну машину, що виконує операції по відділенню грунту від масиву і переміщенню його у відвал або транспортні засоби в межах зони досяжності робочого устаткування. Екскаватори обладнають одним або декількома ковшами. В першому випадку їх називають одноковшевими, в другому - багатоковшевими.

Одноківшові екскаватори. Робочий процес одноківшового екскаватора (екскавація) складається з послідовно виконуваних операцій: відділення грунту від масиву, заповнення ним ковша, транспортування грунту в ковші до місця розвантаження, розвантаження грунту з ковша, повернення останнього в забій на вихідну позицію. Сукупність цих операцій складає робочий цикл екскаватора, в результаті виконання якого видається одна порція продукції в об'ємі розвантаженого з ковша грунту. По цій ознаці відповідно до прийнятої раніше класифікації будівельних машин одноковшові екскаватори відносять до машин циклічної дії.

За призначенням одноковшові екскаватори ділять на будівельні - для виконання земляних робіт, вантаження і розвантаження сипких матеріалів; будівельно-кар'єрні - для виконання робіт за призначенням будівельних екскаваторів, а також для розробки кар'єрів будівельних матеріалів і видобутку корисних копалин відкритим способом; кар'єрні - для роботи в кар'єрах; вскришні - для зняття верхнього шару грунту або гірської породи перед кар'єрною розробкою; тунельні і шахтні - для роботи під землею при будівництві підземних споруд і розробці корисних копалин.

Одноковшові екскаватори можуть розробляти ґрунти вище 8 (мал. 6) і нижче за 9 рівень своєї стоянки відповідно робочим устаткуванням прямої і зворотної лопат. Для збільшення робочої зони, наприклад, при розробці котлованів великих розмірів, на вантажних і розвантажувальних, а також на вскришних роботах на екскаватори встановлюють робоче устаткування драглайна 12. Для уривки глибоких котлованів, ям, колодязів використовують робоче устаткування грейфера 10, для планувальних робіт - спеціальне планувальне устаткування // і т. п. На екскаватори може бути встановлене також кран, сваєбійне і інше змінне робоче устаткування - всього більше 40 видів. Одноковшовий екскаватор може мати тільки один вид робочого устаткування або комплектуватися його змінними видами, встановлюваними на машину залежно від виконуваних робіт. В першому випадку екскаватори називають спеціальними, а в другому - універсальними. До останніх відноситься більшість будівельних екскаваторів. В нашій країні більше 90% одноковшових екскаваторів, що випускаються, є універсальними. Що використовуються на масових розробках гірських порід відкритим способом спеціальні кар'єрні екскаватори мають тільки один вид робочого устаткування - пряму лопату.

Мал. 6. Базова частина одноковшового екскаватора і основні види робочого устаткування

Вскришні екскаватори мають однакову з кар'єрними машинами базу і відрізняються від останніх головним чином розмірами робочого устаткування - ковшом більшої місткості, збільшеним його вильотом - відстанню від осі обертання екскаватора до центру мас ковша. Це дозволяє більш повно використовувати енергетичні параметри силової установки, надійнісний ресурс машини і інші характеристики з метою отримання найбільшої продуктивності на розробці вскришних ґрунтів, менш міцних в порівнянні із залягаючою під ними гірською породою. Для роботи в кар'єрах широко застосовують могутні крокуючі драглайни, які використовують як на вантаженні висадженої породи, так і на вскришних роботах. Кар'єрні і вскришні екскаватори, а також крокуючі драглайні відносяться до гірських машин. Проте їх широко використовують на будівництві крупних земляних споруд, наприклад дамб, гребель, водосховищ, каналів і т. п.

Одноковшові екскаватори розрізняють по виконанню робочого устаткування, елементи якого можуть бути сполучені між собою і з базою машини шарнірами і канатами або мати жорсткі шарнірні зчленовування. Останні властиві гідравлічним екскаваторам. Жорстке зчленовування дозволяє більш повно використовувати масу екскаватора для реалізації великих зусиль на зубах ковша, завдяки чому представляється можливим розробляти ґрунти з підвищеними площами поперечних перетинів зрізів; що істотно підвищує продуктивність цих машин.

Гідравлічний привід одноковшових екскаваторів забезпечує робочому устаткуванню велику маневреність, дозволяє вибирати більш раціональні робочі рухи. Завдяки істотним перевагам перед канатними машинами гідравлічні екскаватори в загальному об'ємі виробництва одноковшових екскаваторів в нашій країні складають більше 80%. В окрему групу по даній ознаці виділяють екскаватори з телескопічним устаткуванням, вживаним в конструкціях екскаваторів-планувальників 11 (див. мал. 6), за допомогою яких виконують планувальні, зачистні і звичайні экскаваціонні роботи.

Одноковшові екскаватори виготовляють як самохідні машини, здатні пересуватися в межах будівельного майданчика, а також при зміні будівельного об'єкту. Для пересування по ґрунтах із зниженою несучою здатністю застосовують гусеничні ходові пристрої із збільшеною опорною поверхнею. При частій зміні будівельних об'єктів для додання екскаваторам більшої мобільності їх обладнали пневмоколісні ходовими пристроями, використовуючи для цього також автомобільну або тракторну базу, або спеціальні шасі автомобільного типу. Кар'єрні і вскришні екскаватори обладнали, як правило, гусеничними ходовими пристроями, а могутні драглайни - крокуючим ходом з розвиненою поверхнею опорної рами, що дозволяє понизити питомий тиск машини на ґрунт до допустимих значень.

По можливості обертання поворотної частини розрізняють повноповоротні (з необмеженими кутовими переміщеннями) і иеповноповоротні (з обмеженими кутовими переміщеннями) екскаватори. Неповноповоротними виготовляють лише екскаватори на базі пневмоколісних тракторів, всю решту одноковшових екскаваторів виготовляють повноповоротними.

По числу «встановлених двигунів розрізняють одно- і багатомоторні екскаватори. До одномоторних відносять також екскаватори з декількома двигунами, що працюють на один вал. Одноковшові будівельні екскаватори обладнають переважно одномоторною силовою установкою з механічним, гідромеханічним або гідравлічним приводом. Лише окремі моделі екскаваторів з канатною підвіскою робочого устаткування мають багатомоторний привід. Кар'єрні і вскришні екскаватори, а також крокуючі драглайни обладнали багатомоторним електроприводом постійного струму з живленням від мережі високої напруги.

Головним параметром одноковшового екскаватора є місткість ковша, яка спільно з тривалістю робочого циклу визначає продуктивність екскаватора. Кожній місткості будівельного універсального екскаватора відповідає певна розмірна група:

Розмірна група 1 2 3 4 5 6 7 8

Місткість ковша, м3 0,15 0,25 0,4 0,65 1,0 1,6 2,5 4,0

Для інших типів екскаваторів така відповідність не регламентована. Згідно Госту на гідравлічних екскаваторах встановлюють ковші більше або менше приведених вмістимостей.

Пряма лопата. Як вже наголошувалося раніше, робоче устаткування прямої лопати застосовують для екскавації ґрунтів вище за рівень стоянки екскаватора. Будівельні екскаватори з цим видом робочого устаткування мають ковши місткістю до 3,2 м - з канатною і до 1,6 м³ - з гідравлічною підвіскою, а кар'єрні і вскришні екскаватори - до 20 м³.

Робоче устаткування екскаватора включає стрілу, рукоять і ківш з суцільною ріжучою кромкою у верхній частині його лобової стінки або оснащеної зубами. У канатних екскаваторів (мал. 7, а) стріла 13 своєю нижньою частиною (п'ятою) сполучена циліндровим шарніром з поворотною платформою 1 в її передній частині, а верхньою головною частиною вона підвішена канатом 4 стрілопідйомної лебідки 2 до двоногої стійки 3. За допомогою цієї лебідки змінюють кут нахилу стріли до площини опорної поверхні екскаватора в інтервалі 45…60°. Рукоять 10 із закріпленим на ній ковшом 7 спирається на стрілу через пристрій 11, зване сідловим підшипником і дозволяючи їй змінювати свій виліт, а також повертатися щодо стріли в одній з нею площині. Рукояті бувають однобалочними (мал. 7, б) при двохбалочній стрілі і двух-балочными (мал. 7, в) при однобалочній стрілі. Ківш є прямокутною в плані місткістю, що злегка розширяється донизу, з днищем, що відкривається, 8 (см: мал. 7, а), яке фіксують в закритому положенні підпружиненим засувом, встановленим внизу лобової стінки ковша. Задньою частиною через проушини ківш кріплять до рукояті, а його нахил до останньої регулюють тягою 9, переставляючи їх з середнього положення в отвори на рукояті ближче до ковша при роботі в щільних ґрунтах або далі від ковша при роботі в легких ґрунтах і в низьких забоях, відповідно зменшуючи або збільшуючи кут різання. Через зрівняльний блок 18 (мал. 7, б'ючи), встановлений на задній стінці ковша (мал. 7, би) або на коромислі 24 (мал. 7, е), ківш підвішують до поліспасту 6 підйомної лебідки 12.

Робочі рухи канатних одноковшових екскаваторів в режимі екскавації грунту забезпечуються механізмами підйому ковша, натиску, повороту і відкриття днища ковша. Для вироблення вимог, що пред'являються до цих механізмів, розглянемо робочий процес екскаватора.

Мал. 7. Одноковшовий екскаватор з робітником устаткуванням прямої лопати: а - конструктивна схема; б, в-схеми напірних механізмів; г - кинематическая схема механізму відкриття днища ковша; д - схема екскаватора з маятниковою підвіскою рукояті до стріли

Для початку екскавації машину установлюють ближче до забою і опускають ківш до рівня стоянки (мал. 8, положення). Далі, при спільній роботі механізмів підйому і натиску ковша останній переміщають по траєкторії, має вид трохоїди, заповнюючи його ґрунтом, відокремлюваним від забою.

По заповненню ковша напірний рух замінюють на поворотне, трохи відсовуючи ківш від забою, щоб при подальшому його бічному переміщенні виключити зачіпання за забій. Далі поворотом платформи переміщають ківш з ґрунтом до місця розвантаження. Залежно від взаємного того, що розташовує екскаватора і відвала або транспортного засобу звичайно одночасно з поворотним рухом наводять ківш на мету, після чого відкриттям днища його розвантажують. Далі включають поворотний рух поворотного і напірного механізмів, а барабан підйомної лебідки розгальмовують, даючи ковшу можливість вільно опуститися до рівня стоянки екскаватора. Механізми перемикають на початок копання, коли ківш займе вихідну позицію для виконання наступного робочого циклу. Нове початкове положення ковша не співпадає з попереднім. Воно залежить від прийнятої схеми копання. Так, при роботі віяловою схемою кожне нове положення б (мал. 8, би) вибирають як суміжне з попереднім. Цього досягають зсувом поворотного руху по відношенню до попереднього на кут 6. Після відробітку першого шару забою по всьому фронту, визначуваному кутом р\ початкове положення ковша 11 (див. мал. 8, а) наближають до забою, переміщаючи далі ківш з цього положення по траєкторії 2, і т.д. Після відробітку забою в межах досяжності робочого устаткування (елемента забою) екскаватор переміщають на нову стоянку.

Товщина зрізу, а отже, опір грунту копанню і поточне значення силовою установкою, що розвивається потужності залежать від напірного переміщення, яке не залишається постійним при переході від однієї траєкторії до іншої, а також при відробітку різних по висоті забоїв. При постійній швидкості цього руху, реалізовуваній екскаваторним приводом, необхідних напірних переміщень добиваються періодичним виключенням цього руху протягом копання.

Висловлене дозволяє сформулювати наступні вимоги до механізмів екскаватора. Механізм підйому ковша повинен забезпечувати підйом ковша, утримувати його у фіксованому положенні, а також забезпечувати гравітаційне опускання ковша. З цією метою для одномоторних екскаваторів його виконують у вигляді нереверсивної, а для багатомоторних екскаваторів у виді - «реверсивних лебідок, обладнаних гальмами.

Механізм напору повинен забезпечувати переміщення рукояті в прямому (на забій) і поворотному (від забою) напрямах, а також її фіксація на певному вильоті при тимчасовому відключенні натиску в процесі копання грунту і для утримання рукояті від довільного опускання під час транспортної операції. Цей механізм виконують в двох варіантах: при однобалочній рукояті - у вигляді реверсивної лебідки, при двохбалочній рукояті - у вигляді реверсивної зубчато-рейкової передачі. По першому варіанту (див. мал. 7, б) барабан 14 напірної лебідки, що приводиться в пряме або поворотне обертання від силової установки за допомогою ланцюгової передачі 15, встановлюють співісний з шарнірами п'яти стріли. Напірні канати 19, огнувши блоки 16, встановлені на стрілі в її середній частині, закріплюються в хвостовій частині рукояті, а канат поворотного руху 20- в її передній частині, у ковша. Ця канатна система забезпечує переміщення рукояті у напрямі збільшення її вильоту і в поворотному при відповідних обертаннях барабана в прямому (за годинниковою стрілкою) і поворотному напрямах.

В більшості випадків на екскаваторах з канатним натиском вільну гілку 17 підйомного каната закріплюють на напірному барабані (див. мал. 7, би), забезпечуючи цим монотонну залежність напірного зусилля від підйомного - із збільшенням опору грунту копанню зростає також зусилля в підйомному поліспасті, а отже, і в гілці 17, внаслідок чого збільшується той, що крутить, момент на напірному барабані.

Мал. 8. Схема розробки грунту одноковшовим екскаватором з робочим устаткуванням прямої лопати

Цим досягається плавна робота підйомного і напірного механізмів, легкість управління робочими рухами ковша при копанні.

При урізуванні ковша в твердий грунт з поверхні землі, а також для висунення максимально підтягнутої до головних блоків 5 рукояті з навантаженим ковшом, коли зусилля в канаті 17 недостатньо для її висунення, додатково використовують той, що крутить момент, передаваний напірному барабану ланцюговою передачею 15. По другому варіанту (див. мал. 6, в) незалежний від підйомного напірний рух рукояті передається від силової установки через систему двох ланцюгових передач 15 і 22 і пара шестерні. 23 - зубчаті рейки 21, встановлені на нижніх полицях балок рукояті. В будь-кому варіанті напірні механізми обладнали гальмами для фіксації положення рукояті щодо стріли.

Механізм повороту повинен забезпечувати пряме (на розвантаження) і поворотне (в забій) обертання поворотної платформи. З метою зниження непродуктивних витрат часу на поворотні рухи, які в середньому складають більш 2/3 тривалості робочого циклу, використовують режими прискореного розгону і гальмування. В режимі копання платформа повинна бути зафіксована в заданому положенні з метою запобігання її мимовільного обертання від неврівноважених щодо осі обертання сил, для чого в кінематичну схему приводу вводять гальмо.

Для відкриття днища ковша застосовують канатні механізми. На мал. 7, г представлена схема такого механізму для екскаватора з канатним натиском. Засув днища 8 ковша сполучений тяговим ланцюгом 32 з важелем 31, шарнірно закріпленим на рукояті 10. До важеля прикріплений канат 30, який, огинаючи блоки 29, 27 і 25, навивається на компенсуючий (напірний) барабан 14. Блоки 25 і 27 встановлені на важелі 26, який за допомогою пневмотовкача 28 може повертатися проти годинникової стрілки щодо шарніра А, натягуючи канат 30 і відкриваючи цим рухом днище ковша. Закривають днище в кінці опускання ковша на вихідну позицію різким гальмуванням підйомної лебідки.

Ходовий механізм включається в роботу рідко - тільки для пересування екскаватора на нову стоянку після відробітку елемента забою і у разі перебазування Екскаватора на новий будівельний майданчик. При цьому звичайно обмежуються малими швидкостями пересування. Більш високі швидкості використовують на машинах, часто міняючих робочі місця. Ще рідше працює стрілопідємний механізм. Його виконують у вигляді реверсивної лебідки з черв'ячним або іншим приводом, до складу якого входить спеціальна обгінна муфта, що оберігає від різкого падіння стріли, що може привести до аварії машини.

У разі одномоторного приводу передача руху окремим робочим механізмам здійснюється за допомогою зубчатих і ланцюгових пар. Для включення окремих кінематичних ланцюгів використовують фрикційні і кулачкові муфти. Наприклад, дисковою фрикційною муфтою 22 (мал. 9, а) підключають до дизеля 21 головну передачу, що складається з ланцюгової передачі 23 і системи зубчатих коліс 24, 27 і 35. Для включення барабана 39 механізму підйому ковша і ланцюгової передачі 38 напірного механізму застосовують стрічкові фрикційні муфти 41 і 36 відповідно. Ківш фіксують на заданій висоті гальмом 40, а на заданому вильоті - гальмами 37. Опускається ківш гравітаційно після розгальмовування барабана 39. Для поворотного руху рукояті при відключеній муфті 36 спочатку кулачковою муфтою двосторонньої дії 31 включають ланцюгову передачу 30, а потім конусною фрикційною муфтою 28 - вал 29 підключають до головної передачі. Тими ж муфтами включають барабан 32 для підйому стріли. Утримують стрілу в заданому положенні гальмом 33, а опускають за рахунок гравітаційних сил після розгальмовування барабана 32 при включеній головній передачі. Частота обертання барабана 32 і, отже, швидкість опускання стріли обмежуються при цьому обгінною муфтою 42, з якою барабан 32 зв'язаний ланцюговою передачею 34.

Для обертання поворотної платформи щодо центральної цапфи 11 приводять в обертання шестерню 12, яка, оббігаючи навкруги жорстко сполученого з нижньою рамою зубчатого вінця 10, захоплює за собою поворотну платформу. Для цього включають кулачкову муфту 19 і відповідно напряму обертання платформи одну з конусних фрикційних муфт 25 або 26. Поворот платформи на розвантаження ковша звичайно виконують на зниженій швидкості, встановивши блок зубчатих коліс 15 і 16 у верхнє положення і ввівши в зачіпляюче зубчаті колеса 16 і 17, а поворот в забій - на підвищеній швидкості при зачіпляюче зубчатих коліс 15 і 14. Для роботи в гальмівному режимі використовують гальмо 18.



а - одномоторного четвертої розмірної групи; 6…д - багатомоторного дизель-електричної сьомої розмірної групи.

У разі прямолінійного руху включають обидві кулачкові муфти 3 і 6 на валу 5, забезпечуючи передачу руху зірочкам гусеничних ланцюгів 1 і 8 за допомогою ланцюгових передач 2 і 7. Для зміни напряму руху одну з кулачкових муфт 3 або 6 відключають, унаслідок чого рух передаватиметься тільки одній зірочці гусеничного візка при зупиненій другій зірочці. Ходовий механізм обладнаний гальмом 4 і керованим стопорним пристроєм 9, що використовується як гальмо стоянки для утримування машини на похилих стоянках і запобігання її відкатування під час екскаваціонних робіт.

При багатомоторному приводі, особливо у разі індивідуального приводу кожного механізму окремим двигуном, кінематичні схеми істотно спрощуються. Наприклад, на дизель-електричному екскаваторі сьомої розмірної групи тільки два механізми - підйому ковша і підйому стріли - приводяться від одного електродвигуна (мал. 9, б), вся решта механізмів має індивідуальний привід. Всі електродвигуни - реверсуючі, завдяки чому відпадає необхідність в механічному реверсі. Об'єднання механізмів підйому ковша і стріли в одну приводну групу обґрунтовано вельми рідкісним використовуванням стрілопідйомного механізму. Барабани цих механізмів посаджені на один вал і включаються роздільно фрикційними муфтами. Весь привід напірного механізму із зубчато-рейковими па рами (мал. 9, е) вмонтовується на стрілі, чим забезпечується його компактність.

Мал. 10. Конструктивні схеми гідравлічної прямої лопати з неповоротним (а) і поворотним (б) ковшом

Так само компактно, в зоні шестерні, що оббігає зубчатий вінець, встановлений на платформі механізм її повороту (мал. 9, г). Ходовий механізм (мал. 9, д) виконаний у вигляді двох чотириступінчастих редукторів, швидкохідні вали яких за допомогою кулачкових муфт підключені до електродвигуна, а тихохідні вали - до провідних зірочок гусеничного візка. При прямолінійному русі екскаватора до електродвигуна підключають обидва редуктори, а при поворотах один редуктор відключають і стопорять його гальмом.