Бульдозеры

Бульдозеры (рис 3) представляют собой навесное оборудование на базовый гусеничный или пневмоколесный трактор (двухосный ко­лесный тягач), включающее отвал 1 с ножами, толкающее устройство в виде брусьев 6 или рамы 7 и систему управления отвалом. Современные бульдозеры являются конструктивно подобными машинами, базовые тракторы и навесное оборудо­вание которых широко унифицированы. Главный параметр бульдозеров – тяговый класс базового трактора (тягача). Бульдозеры применяются для послойной разработки и перемещения грунтов I..IV категорий, а также предварительно разрых­ленных скальных и мерзлых грунтов. С их помощью выполняют планировку строительных площадок, возведение насыпей, разработку выемок и котлованов, нарезку террас на косогорах, разравнивание грунта, отсыпаемого другими машинами, копание траншей под фундаменты и коммуникации, засыпку рвов, ям, траншей, котлованов и пазух фундаментов зданий, расчистку территорий от снега, камней, кустарника, пней, мелких деревьев и строительно­го мусора и т. п.. Широкое использование бульдозеров в строительном производстве определяется простотой их конструкции, надежностью и экономичностью в эксплуатации, высокой производительностью, мобильностью и универ­сальностью.

Бульдозеры классифицируют по назначению, тяговому классу и типу ходового устройства базовых машин, конструкции рабочего органа и типу системы управления отвалом. По назначению различают бульдозеры общего назначения, используемые для выполнения основных видов землеройно-транспортных и вспомогательных работ в различных грунтовых и климатических условиях, и специальные, применяемые для выполнения целевых работ в специфических грунтовых или технологических условиях. К последним относятся бульдозеры-толкачи, подземные и подводные бульдозеры. В зависимости от тягового класса (номинального тягового усилия) базовых машин, бульдозеры разделяют на малогаба­ритные (класс до 0,9), легкие (классов 1,4…4), средние (классов 6…15), тяжелые (классов 25…35) и сверхтяжелые (класса свыше 35). По типу ходового устройства бульдозеры разделяются на гусеничные и пневмоколесные. По конструкции рабочего органа различают бульдозеры с неповоротным в плане отвалом (рис 3, а), постоянно расположенным перпендикулярно продольной оси базовой маши­ны, и с поворотным отвалом (рис 3, б), который может устанавливаться перпендикулярно или под углом до 53^° в обе стороны к продольной оси машины. По типу системы управления отвалом различают бульдозеры с гидрав­лическим и механическим (канатно-блочным) управлением. При канатно-блочной системе управления подъем отвала осуществляется зубчато-фрикционной лебедкой через канатный поли­спаст, опускание – под действием собственной силы тяжести отвала. При гидравлической системе управления подъем и опускание отвала осуществляются принудительно одним или двумя гидроцилиндрами двустороннего действия. Бульдозеры с механическим управлением в настоящее время промышленностью не выпускаются.

Рис. 3. Гусеничные бульдозеры:

а – с неповоротным отвалом; б – с поворотным отвалом;

1 - отвал; 2 - раскос; 3 - гидроцилиндр опускания и подъема отвала;

4 - базовый трактор; 5 - шарнир; 6 - толкающий брус; 7 - толкающая рама

Рабочий цикл бульдозера (рис 4): при движении машины вперед отвал с помощью системы управления заглубляется в грунт, срезает ножами слой грунта и перемещает впереди себя образовавшуюся грунтовую призму волоком по поверхности земли к месту разгрузки; после отсыпки грунта отвал поднимается в транспортное положение, машина возвращается к месту набора грунта, после чего цикл повторяется. Максимально возможный объем призмы волочения современные бульдозеры набирают на участке длиной 6...10м. Экономически целесообразная дальность перемещения грунта не превышает 60...80м для гусеничных бульдозеров и 100...140м для пневмоколесных машин. Преимущественное распространение получили гусеничные бульдозеры, обладающие высокими тяговыми усилиями и проходимостью. Чем выше тяговый класс машины, тем больший объем земляных работ она способна выполнять и разрабатывать более прочные грунты.

Рис. 4. Схемы работы бульдозера при разработке грунтов:

а-резание; б-транспортирование с подрезанием; в-отсыпка; г-откат назад (холостой ход)

К основным параметрам бульдозерного оборудования относятся (рис 5): высота без козырька Н и длина В отвала (м), радиус кривизны отвала r, основной угол резания δ, задний угол отвала α, угол заострения ножей β, угол перекоса отвала ε и угол поворота (у поворотных машин) отвала в плане γ (град), высота подъема отвала над опорной поверхностью h₁, и глубина опускания отвала ниже опорной поверхности h₂ (м), напорное Т и вертикальное Р усилия на режущей кромке (кН), скорости подъема v_п и опускания v_о отвала.

Отвал бульдозера представляет собой жесткую сварную металлоконструкцию с лобовым листом криволинейного профиля. Вдоль нижней кромки отвала крепятся сменные двухлезвийные режущие ножи (два боковых и средние), наплавленные износоустойчивым сплавом. В середине верхней части отвала имеется козырек, препятствующий пересыпанию грунта через верхнюю кромку.

Для увеличения производительности бульдозера при работе на легких грунтах на его отвал устанавливают с обоих концов сменные уширители, открылки и удлинители. Для уменьшения потерь грунта при его транспортировании современные неповоротные гусеничные бульдозеры оборудуют сферическими и полусферическими отвалами.

Рис. 5. Схемы устройств и основные параметры бульдозеров:

а-с поворотным отвалом; б-с неповоротным отвалом; в-поперечный перекос отвала

Рассмотрим конструктивные особенности неповоротных и поворотных бульдозеров.

У неповоротного бульдозера ДЗ 110А (рис 6) отвал 1 крепится посредством универсальных шарниров 8 к толкающему устройству в виде двух брусьев 7 коробчатого сечения, задние концы которых соединены с помощью упряжных шарниров 6 с балками 5 ходового устройства базового трактора 4. Шарниры позволяют толкающим брусьям поворачиваться в вертикальной и горизонтальной плоскостях при перекосе отвала. Подъем и опускание отвала осуществляются с помощью двух гидроцилиндров двойного действия 3, штоки которых шарнирно прикреплены к отвалу через кронштейны. Отвал в рабочем положении удерживают гидрораскос 2 и винтовой жесткий раскос 10, которые установлены в плоскостях соответственно левого и правого толкающих брусьев. Нагрузка между толкающими брусьями равномерно распределяется механизмом 9 компенсации перекоса, обеспечивающим устойчивость отвала в горизонтальной плоскости.

Гидрораскос осуществляет перекос отвала в поперечной плоскости путем поворота его на угол до ± 12^° и представляет собой гидроцилиндр двойного действия с гидрозамком, который включен в гидросистему трактора. Винтовой раскос служит для механического изменения угла резания ножей в диапазоне ± 10^° от среднего угла установки, составляющего 55^°.

Рис. 6. Бульдозер ДЗ-110А с неповоротным отвалом

Рис. 7. Бульдозер ДЗ-109Б с поворотным отвалом

У поворотного бульдозера ДЗ-109Б (рис 7) отвал 1 монтируется на универсальной толкающей раме 7, охватывающей снаружи трактор 4 и состоящей из двух жестко соединенных между собой полурам прямоугольно­го сечения. Рама крепится к ходовым тележкам трактора с помощью упряжных шарниров 5. На раме вместо отвала может быть установлено различное сменное оборудование с гидравличе­ским управлением – кусторез, древовал, корчева­тель-собиратель, плужный снегоочиститель и др. Поворотный отвал соединен с толкающей рамой посредством центрального шарового шарнира 10 и двух боковых толкателей 8 с винтовыми раскосами 2, обеспечивающими различное положение отвала относительно рамы. Одинаковым изменением длины раскосов от среднего положения регулируют угол резания ножей. Угол поперечного перекоса отвала в вертикальной плоскости регулируется путем изменения межцентрового расстояния проушин раскосов.

Отвал может быть установлен в плане под углом γ в обе стороны от продольной оси машины и под прямым углом к ней.

Для установки отвала в три положения (прямое, правое и левое) на верхней полке каждой полурамы установлены по три опорных кронштейна 6, в которых шарнирно крепятся толкатели. На скошенной части полурам установлены кронштейны 9 для крепления гидроцилиндров 3 подъема–опускания отвала. У некоторых моделей бульдозеров изменение угла поворота отвала в плане и регулировка угла перекоса отвала осуществляются с помощью гидроцилиндров. При продольном движении бульдозера с повернутым в плане отвалом грунт перемещается вбок по отвалу. Способность поворотных бульдозеров перемещать грунт в сто­рону определяет их широкое использование при засыпке каналов, рвов, траншей коммуникаций, а также очистки строительных площадок и дорог от снега. Гидравлическая система управления рабочим оборудованием обеспечивает, с помощью гидроцилиндров, подъем и принудительное опускание отвала, его плавающее и фиксированное поло­жения, поворот отвала в плане (у поворотных бульдозеров), поперечный двусторонний перекос (до 12^°) отвала в вертикальной плоскости, регули­ровку угла резания ножей отвала (среднее значение 55^°) путем поворота (наклона) отвала вперед и назад относительно толкающего устройства.

Принудительное заглубление ножей отвала в грунт под действием гидроцилиндров, развивающих усилие до 40 % и более веса тягача, позволяет бульдозерам с гидравлическим управлением разрабатывать прочные грунты, а возможность установки отвала в определенное фиксированное положение обеспечивает срезание слоя грунта заданной толщины. Поперечный перекос отвала повышает универсальность машины и ее эксплуатационные возможности на планиро­вочных работах, облегчает разработку тяжелых грунтов и т. п.

Гусеничные бульдозеры могут оснащаться дополнительным быстросъемным оборудованием (рис. 8), значительно расширяющим их технологические возможности: неподвижными или гидроуправляемыми уширителями 1 и удлини­телями 3 отвала, открылками 2, передними и задними рыхлительными зубьями 4, кирковщиком 5 для взламывания асфальтовых покрытий, гребенчатыми ножами 6 для разработки мерзлых грунтов, надставкой 7 для рытья канав, откосником с жестким креплением и гидроуправляемым откосником-планировщиком 8, пере­дними и задними лыжами 9, грузовыми вилами 10, подъемным крюком 11 и т. п. Некоторые модели гусеничных бульдозеров оснащаются дополнительной аппаратурой автоматического управления положением отвала. Бульдозер ДЗ-109-1 с поворотным отвалом оснащается аппаратурой «Копир-Автоплан-10ЛП», бульдозер ДЗ-110А-1 с непово­ротным отвалом – аппаратурой «Комбиплан-10Л». Аппаратура автоматического управле­ния отвалом обеспечивает повышение качества обработки грунтовой поверхности, повышение производительности машины за счет уменьшения числа проходов бульдозера по планируемому участку, снижение утомляемости машиниста.

Рис. 8. Дополнительное оборудование бульдозеров:

1-уширители; 2-открылки; 3-удлинители; 4-рыхлительный зуб; 5-кирковщик;

6-гребенчатые ножи; 7-канавнвя надставка; 8-откосник; 9-опорная лыжа;

10-грузовые вилы; 11-грузоподъемный крюк

Пневмоколесные бульдозеры базируются на тракторах класса 1,4 т и предназначены для выполнения земляных и погрузочно-разгрузочных работ малого объема, погрузки и транспортирова­ния сыпучих материалов на небольшие расстоя­ния, подъема и перемещения единичных и штуч­ных грузов, планировки площадок, засыпки траншей, ям и для других работ.

В строительстве используются пневмоколесный бульдозер ДЗ-37А с неповоротным гидроуправляемым отвалом и аналогичные по конструкции бульдозеры-погрузчики ДЗ-133 и ДЗ-160, у которых в качестве основного сменного оборудования используются гидроуправляемые отвалы и ковши вместимостью 0,38 и 0,5м³.

Лекция 3. Бульдозеры–погрузчики, рыхлители

Бульдозеры-погрузчики комплектуются дополнительным сменным рабочим оборудованием: ковшами для тяжелых материалов и снега, уширенным ковшом для работ у стен зданий и сооружений, у бордюров улиц и дорог, грузовыми вилами для погрузки и разгрузки поддонов с грузами, монтажным крюком для погрузки штучных грузов, челюстным захватом для длинномерных грузов, удлинителем стрелы, уширителями отвала, поворотным отвалом для снега, отвалом-планировщиком и т. п.

Бульдозер-погрузчик ДЗ-160 (рис. 9) состоит из следующих основных частей: базового трактора 6, несущей рамы 9, тяг 8, стрелы 3, устройства 2 для смены рабочих органов, ковша 1 или неповоротного бульдозерного отвала, попарно работающих гидроцилиндров 4, 5 управ­ления стрелой и ковшом, гидросистемы и электро­оборудования. Сзади машины может быть навешен управляемый гидроцилиндрами отвал – планировщик 7. Неповоротный отвал предназначен для планировочных работ и представляет собой сварную конструкцию с секционными ножами. Для соединения отвала с уширителем и сменным устройством стрелы он оборудован крюками и кронштейнами. С бульдозерным отвалом применяется удлинитель стрелы для увеличения ее вылета при разгрузке бортовых автомобилей, прицепов и железнодорожных платформ. Основной ковш, ковш для тяжелых материалов и уширенный ковш представляют собой сварную конструкцию со сменными зубьями и различаются геометрическими размерами. Система управления ковшом обеспечивает воз­можность его поступательного перемещения при подъеме и опускании стрелы. Челюстной захват состоит из двух боковин, к которым снизу приварено днище с ножом и зубьями для захвата длинномерных грузов. Открытие и закрытие челюстей ковша производится двумя гидроцилиндрами. В открытом положении челюстной захват трансформируется в планировочный отвал. Этот рабочий орган может быть использован для очистки площадок, погрузки камней, пней и др. Смена рабочих органов осуществляется с помощью специального устройства 2 в кратчай­шие сроки без дополнительного обслуживающего персонала. Гидросистема бульдозера-погрузчика обеспечивает привод и управление механизмами стрелы, ковша, челюстного захвата и задней навески трактора. Она включает гидросистему базового трактора, дополнительно установленные гидроцилиндры и гидрораспределитель.

Эксплуатационная производительность (м³/ч) бульдозера при резании и перемещении грунта:

где V_гр – геометрический объем призмы волоче­ния грунта впереди отвала, м³;

где В, Η – соответственно длина и высота отвала, м; φ – угол естественного откоса грунта в движе­нии (φ=35...45^°); К_н – коэффициент наполнения геометрического объема призмы волочения грун­том (К_н=0,85...1,05); К_р – коэффициент разрых­ления грунта (К_р=1,1...1,3); К_п – коэффициент, учитывающий потери грунта при транспортировке (К_п=1-0,005l_п); К_у – коэффициент, учитываю­щий влияние уклона местности на производитель­ность (при работе на подъемах от 5 до 15 % К_у уменьшается от 0,67 до 0,4, при работе на уклонах от 5 до 15 % К_y увеличивается с 1,35 до 2,25); К_в – коэффициент использования бульдозера по времени (К_в=0,8...0,9); Т_ц – продолжительность цикла, с;

Рис. 9. Бульдозер-погрузчик ДЗ-160

где l_р, l_п и l_о=l_р + l_п – длины соответственно участков резания, перемещения грунта и обратно­го хода бульдозера, м;

где А=Bh – площадь срезаемого слоя грунта, м²; h – средняя толщина срезаемого слоя, м; v_р, v_п, v_о – скорости трактора при резании, перемеще­нии грунта и обратном ходе, м/с; t_п – время на переключение передач в течение цикла (t_п=15...20с).

Резание грунта производится на скорости 2,5...4,5 км/ч, перемещение грунта на скорости 4,5...6 км/ч.

Эксплуатационная производительность бульдозера (м²/ч) с поворотным отвалом при планировочных работах:

где l – длина планируемого участка, м; γ – угол установки отвала в плане, град; 0,5 – величина перекрытия проходов, м; n – число проходов по одному месту; v – скорость движения бульдозе­ра, м/с.

Полное сопротивление движению бульдозера (кН):

где F₁ – сопротивление движению бульдозера с трактором, кН:

G_б – вес бульдозера с трактором, кН; f – коэффициент сопротивления движению трактора по грунту (f = 0,1...0,15); i = tgα – уклон пути; α – угол наклона пути движения бульдозера к горизонту, град; знак «+» принимается при работе на подъем, «–» – при работе под уклон;

F₂ – сопротивление грунта резанию, кН:

r_р – удельное сопротивление грунта резанию, кПа (выбирается по таблицам);

F₃ – сопротивление волочению призмы грунта впереди отвала, кН:

ρ – плотность грунта, т/м³ (выбирается по таблицам); g – ускорение свободного падения (g=9,81 м/с²); μ_ι – коэффициент трения грунта по грунту (μ₁=0,4...0,8, причем меньшие значения для влажных и глинистых грунтов);

F₄ – сопротивление трению грунта по отвалу, кН:

δ – угол резания, град (δ = 50...55^°); µ₂ – коэффициент трения грунта по стали (μ₂ = 0,35...0,5 для песка, μ₂ = 0,5. ..0,6 для супесей и суглинка, μ₂ = 0,7...0,8 для глины).

Бульдозер находится в движении без пробуксо­вывания при условии, что сцепная сила тяги F_сц больше окружного усилия F_o на ведущей звездочке движителя и больше общего сопро­тивления передвижению F_∑ т. е. F_сц>F₀> F_∑.

Сцепная сила тяги, кН:

где ψ – коэффициент сцепления движителя с опорной поверхностью; ψ=0,7...0,9.

Бульдозеры-рыхлители оснащаются одно-, и трехзубым навесным рыхлительным оборудовани­ем заднего расположения с гидравлическим управлением. Рыхлительное оборудование наве­шивают на гусеничные бульдозеры с тягача­ми класса 10, 25, 35, 50 и 75 мощностью 118...636 кВт.

Главным параметром бульдозеров-рыхлителей является тяговый класс базового трактора. Индекс рыхлительного оборудования бульдозе­ров-рыхлителей включает две первые буквы ДП, за которыми следуют цифры порядкового номера модели и буквы, обозначающие очередную модернизацию (А; Б, В, ...) и северное (С, ХЛ) исполнение оборудования. Так, например, бульдо­зер-рыхлитель в северном исполнении на базе трактора Т-330 имеет индекс ДЗ-129АХЛ а его рыхлительное оборудование в северном исполне­нии – ДП-29АХЛ. Крепление рыхлителей осуще­ствляется к остову базового трактора или к корпусу его заднего моста.

Бульдозеры-рыхлители применяют для предва­рительного послойного рыхления и перемещения плотных каменистых, мерзлых и скальных грунтов при устройстве строительных площадок, рытье котлованов и широких траншей, а также для взламывания дорожных покрытий. Разрушение грунтов и пород происходит при поступательном движении машины и одновременном принудитель­ном заглублении зубьев рабочего органа до заданной отметки. В процессе рыхления массив грунта разделяется на куски (глыбы) таких размеров, которые удобны для последующей их эффективной разработки, погрузки и транспорти­рования другими машинами.

Рыхление производят параллельными резами по двум технологическим схемам: без разворотов у края площадки с возвратом машины в исходное положение задним ходом (челночная схема) и с поворотом рыхлителя в конце каждого прохода (продольно-поворотная схема). Челночная схема наиболее рациональна при малых объемах работ в стесненных условиях, продольно-поворотная – на участках большой протяженности. Максимальные величины глубины и ширины захвата рыхления, рабочих скоростей движения и число зубьев рыхлителя определяются тяговым классом базовой машины.

Наименьшая глубина рыхления за один проход должна на 20...30 % превышать толщину стружки грунта, разрабатываемого землеройно-транспорт­ными машинами, в комплексе с которыми работает рыхлитель. Рыхление высокопрочных грунтов осуществляется, как правило, одним зубом.

Рабочий орган рыхлителя состоит из несущей рамы, зубьев, подвески и гидроцилиндров управления. Зубья имеют сменные наконечники, лобовая поверхность которых защищена износостойкими пластинами для защиты от абразивного износа. Для интенсификации процесса рыхления на зубья рыхлителей устанавливают уширители, которые позволяют за один проход разрушать большие объемы материала и выталкивать каменные глыбы на поверхность. Уширители обеспечивают более устойчивое движение базового трактора и работу рыхлителя, практически сплошное разрушение материала между соседними бороздами, снижение общего количе­ства проходов.

Зубья выполняют неповоротными, жестко закрепленными в карманах рамы и поворотными в плане (на угол 10...15^° в обе стороны) за счет их установки в специальных кронштейнах-флюгерах, прикрепляемых к раме шарнирно. Поворотные зубья способны обходить препятствия, встречающиеся в грунте.

Подвеска рыхлителя к базовой машине четырехзвенная (параллелограммная). Она обеспечивает постоянство угла рыхления зубьев независимо от величины их заглубления, что позволяет, при оптимальных значениях этого угла, осуществлять процесс рыхления с пониженными энергозатратами, повышая производительность рыхлителя и уменьшая износ наконечников зубьев.

Бульдозер-рыхлитель ДЗ-116АХЛ на базе трактора класса 10 (рис. 10, а) имеет четырехзвенную подвеску рыхлителя с неповоротным зубом. Подвеска составлена из опорной рамы 3, жестко прикрепленной к базовому трактору 2, тяги 4, рабочей балки 6 и нижней рамы 9. Балка имеет сменный зуб 7 с наконечником 8. Опускание, принудительное заглубление и фиксирование рыхлителя в определенном рабочем положении, а также подъем его при переводе в транспортное положение производятся двумя гидроцилиндрами 5, работающими от гидросистемы базового трактора.

Рис. 10. Бульдозеры-рыхлители:

а – ДЗ-116АХЛ; б – ДЗ-94С

Разрыхленный грунт перемещается бульдозерным оборудованием 1 с неповоротным отвалом. Бульдозер-рыхлитель ДЗ-116В может быть оборудован бульдозерным оборудованием ДЗ-109Б с поворотным отвалом и универсальной рамой для навески корчевателя и кустореза, а также комплектом сменных уширителей. У бульдозера-рыхлителя ДЗ-94С на базе трактора класса 35 (рис. 10, б) рыхлитель с четырехзвенной подвеской может быть оснащен одним, двумя и тремя сменными поворотными зубьями, установленными в поворотном устройстве 10. Рых­ление может производиться одним средним зубом, двумя симметрично поставленными (или всеми тремя) в зависимости от физико-механических свойств грунта и заданных ширины и глубины рыхления. На средний зуб устанавливается буферное устройство 11 при работе рыхлителя с трактором-толкачом того же класса, что и базовый трактор.

Бульдозеры-рыхлители имеют наибольшую ши­рину захвата (при трех зубьях) 1780…2140мм и рыхлят грунты высокой прочности на глубину 0,45…1,4м. Производительность навесных рыхлителей на грунтах IV…V категории 60...150 м³/ч, средняя рабочая скорость движения 2,5…5км/ч

Эксплуатационная производительность (м³/ч) навесного рыхлителя:

где V – объем грунта, разрыхленного за цикл, м³, Т_ц – продолжительность цикла, с, К_в – коэффи­циент использования машины по времени,

где В – средняя ширина полосы рыхления, зависящая от числа, шага и толщины зубьев, угла развала (15...60^°) и коэффициента перекрытия (0,75...0,8) резов, м; h_ср – средняя глубина рыхления, в данных грунтовых условиях, м; l – длина пути рыхления, м.

При челночной схеме работы рыхлителя:

где ν_р и ν_х – скорости движения машины соответственно при рыхлении и холостом (обрат­ном) ходе, м/с; t_c – время на переключение передачи (t_с≈5 с); t_o – время на опускание рыхлителя (t_o = 2...5 с).

При разработке участка продольными прохода­ми с разворотами на концах к времени цикла добавляется t_p – продолжительность разворотов трактора в конце участка, а время холостого хода исключается.

Дальнейшее развитие навесных рыхлителей идет в направлении создания машин повышенной единичной мощности, улучшения параметров оборудования, повышения эффективности работы, износостойкости, надежности и срока службы наконечников зубьев, гидрофикации перестановок зубьев рабочего органа, создания рабочих органов, активно воздействующих на разрыхляе­мый грунт с помощью удара, взрыва, вибрации и т. п.

Лекция 4. Скреперы

Скрепер является самоходной или прицепной (к гусеничному или колесному трактору, колесно­му тягачу) землеройно-транспортной машиной, рабочим органом которой служит ковш на пневмоколесах, снабженный в нижней части ножами для срезания слоя грунта. Скреперы предназначены для послойного копания, транс­портирования, послойной отсыпки, разравнивания и частичного уплотнения грунтов I...IV категорий при инженерной подготовке территории под застройку, планировке кварталов, возведении насыпей, разработке широких траншей и выемок под различные сооружения и искусственные водоемы и др. Наиболее эффективно скреперы работают на непереувлажненных средних грунтах (супесях, суглинках, черноземах), не содержащих крупных каменистых включений. При разработке скреперами тяжелых грунтов их предварительно рыхлят на толщину срезаемой стружки. Главным параметром скреперов является геометрическая вместимость ковша (м³), которая лежит в основе типоразмерного ряда этих машин.

Рис. 11. Скреперы:

а - прицепной; б, в - самоходные двух- и трехосные;

1, 7 - гусеничный и колесный тракторы; 2, 6 - сцепное и седельно-сцепное устройства;

3 - рама; 4 - ковш; 5 - одноосный тягач

Скреперы классифицируют: по вместимо­сти ковша – на машины малой (до 5м³), средней (5...15м³) и большой (свыше 15м³) вме­стимости; по способу загрузки ков­ша – с пассивной загрузкой движущим усилием срезаемого слоя грунта, с принудительной загрузкой с помощью скребкового элеватора; по способу разгрузки ковша – с прину­дительной разгрузкой при выдвижении стенки ковша вперед (основной способ), со свободной (самосвальной) разгрузкой опрокидыванием ковша вперед по ходу машины; по способу агрегатирования с тяговыми сред­ствами – на прицепные (рис. 11, а) к гусе­ничным тракторам и двухосным колесным тягачам; самоходные, агрегатируемые с одно­осными (рис. 11, б) и двухосными (рис. 11, в) колесными тягачами; по способу управ­ления рабочим – с канатно-блочным (ме­ханическим), гидравлическим и электрогидравли­ческим управлением.

Выпускаемые в настоящее время скреперы имеют гидравлическую или электрогидравличе­скую систему управления рабочим органом, которая обеспечивает принудительное опускание, подъем и разгрузку ковша, изменение глубины резания, подъем и опускание передней заслонки ковша с помощью гидроцилиндров двойного действия. Принудительное заглубление ножей ковша в грунт позволяет довольно точно регулировать толщину срезаемой стружки, сокра­щать время набора грунта и эффективно разрабатывать плотные грунты.

Рис. 12. Операции рабочего цикла самоходного скрепера

Рабочий процесс скрепера состоит из следую­щих последовательно выполняемых операций: резание грунта и наполнение ковша, транспорти­рование грунта в ковше к месту укладки, выгрузка и укладка грунта, обратный (холостой) ход машины в забой. При наборе грунта (рис. 12, а) ножи опущенного на грунт ковша 2 срезают слой грунта толщиной h, который поступает в ковш при поднятой подвижной заслонке 3. Наполненный грунтом ковш на ходу поднима­ется в транспортное положение (рис. 12, б), а заслонка 3 опускается, препятствуя высыпанию грунта из ковша. При разгрузке ковша (рис. 12, в) заслонка 3 поднята, а грунт вытесняется принудительно из приспущенного ковша выдвига­емой вперед задней стенкой 5 ковша, причем регулируемый зазор между режущей кромкой ковша и поверхностью земли определяет толщину с укладываемого слоя грунта 4, который разравнивается (планируется) ножами ковша и частично уплотняется колесами скрепера. При холостом ходе порожний ковш поднят в транс­портное положение, а заслонка опущена. Для увеличения тягового усилия скрепера при наполнении ковша в плотных грунтах обычно используют бульдозер-толкач 1 (рис. 12, а). При наполнении ковша скорость движения скреперов составляет 2...4 км/ч, при транспортном передвижении – 0,5...0,8 максимальной скорости трактора или тягача.

У некоторых моделей скреперов для уменьшения сопротивлений при работе в ковше устанавли­вают наклонный скребковый конвейер (элеватор), осуществляющий принудительную загрузку сре­занного ножом слоя грунта в ковш и его выгрузку. Скреперы с элеваторной загрузкой наиболее рационально используются на сыпучих грунтах при выполнении небольших объемов работ.

В зависимости от вида и объема выполняемых земляных работ применяют различные схемы движений скрепера в плане – по эллипсу, восьмеркой, челночно-поперечное и др. Схему движения по эллипсу применяют при разработке выемок и широких траншей, челночно-поперечное и восьмеркой – при копании неглубоких, но больших по площади котлованов.

Прицепные скреперы к гусеничным тракторам, обладающие высокой проходимостью, способны работать в плохих дорожных условиях. Низкие транспортные скорости этих машин (не более 10....15км/ч) ограничивают экономически целесо­образную дальность транспортировки грунта 500...800м. Самоходные скреперы характеризу­ются более высокими мобильностью, маневренно­стью, транспортными скоростями (до 50км/ч) и производительностью (в 1,5....2,5 раза) по сравнению с прицепными машинами той же вместимости.

Дальность транспортировки грунта самоходны­ми скреперами экономически эффективна на расстояние до 5000м.

В строительстве используются: прицепные скреперы ДЗ-111А с ковшом вместимостью 4,5м³, Д3-149-5 с ковшом 8м³, ДЗ-77А, ДЗ-77-1, ДЗ-77-2 и ДЗ-172 с ковшом 8,8м³, ДЗ-79 с ковшом 16,2м³; самоходные скреперы Д3-87-1А с ковшом вместимостью 4,5м³, МоАЗ-6014 с ковшом 8,3м³, ДЗ-13А с ковшом 15м³, ДЗ-13Б с ковшом 16м³, ДЗ-115 с ковшом 16,2м³, ДЗ-107-1 и ДЗ-107-2 с ковшом 25м³.

На скреперах ДЗ-115 и ДЗ-107-2 установлен второй дополнительный задний двигатель для привода задних колес через гидромеханическую трансмиссию, что позволяет выполнить все колеса машины ведущими. Управление дополнительным двигателем и гидромеханической трансмиссией синхронизировано с управлением тягачом и ве­дется из кабины машиниста. Одновременную работу обоих двигателей используют при заполне­нии ковша и транспортировании грунта к месту разгрузки; при выгрузке ковша и обратном ходе используется один двигатель тягача.

Самоходный скрепер (рис. 13, а) представляет собой двухосную пневмоколесную машину, состо­ящую из одноосного тягача 15 и полуприцепного одноосного скреперного оборудования, соединенных между собой универсальным седельно-сцепным устройством 14. На тягаче смонтированы два гидроцилиндра 1 для его поворота относитель­но рабочего органа в плане. Седельно-сцепное устройство обеспечивает возможность относитель­ного поворота тягача и скрепера в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Для толкания скрепера бульдозером-толкачом в процессе набо­ра грунта имеется буферное устройство 8.

Основным узлом скрепера является ковш 5 с двумя боковыми стенками и днищем, опирающийся на колеса 7. К подножевой плите ковша крепят сменные двухлезвийные ножи 2 – два боковых и средние. Ковш снабжен выдвижной задней стенкой 10 для принудительной разгрузки, а в передней части – заслонкой 11, поднимаю­щейся при наборе и выгрузке грунта. Заслонка служит для регулирования щели при загрузке ковша и закрывает ковш при транспортировании грунта. Ковш двумя шарнирами 4 соединен с тяговой П-образной рамой 3, жестко соеди­ненной с хоботом 13. Гидравлическая система управления рабочим оборудованием обеспечивает подъем и опускание ковша 5, заслонки 11, выдвижение задней стенки 10 и возврат ее в исходное положение с помощью трех пар гидроцилиндров 6,9 и 12. Насосы гидросистемы рабочего оборудования приводятся в действие от коробки отбора мощности базового тягача. Раздельное управление гидроцилиндрами осуще­ствляется золотниковым распределителем, уста­новленным в кабине машиниста.

Рабочее оборудование самоходных и прицепных скреперов одинаково по конструкции и макси­мально унифицировано.

Прицепной скрепер (рис. 13, б) отличается от самоходного скрепера наличием передней (поворотной) оси 17 с колесами 18, которая передает силу тяги трактора тяговой раме скрепера. Передняя ось шарнирно соединяется с трактором посредством тягового шкворня 16.

Гидрооборудование прицепных скреперов работает от гидросистемы трактора и управляется из кабины машиниста с помощью золотниковых распределителей.

Прицепные скреперы ДЗ-77-1 и ДЗ-77-2 – автоматизированные машины, оборудованные аппаратурой для автоматической стабилизации положения ковша при планировочных работах. Скрепер ДЗ-77-1 с аппаратурой «Копир-Стабилоплан-10» может выполнять точную планировку под заданную отметку и создавать различные уклоны грунтовой поверхности с автоматическим автономным и копирным (по лучу лазера) управлением положением ножей ковша по высоте и автономным управлением задней стенкой ковша. Скрепер ДЗ-77-2 с аппаратурой «Стабилоплан-10» может выполнять точную планировку грунтовой поверхности в автоматическом авто­номном режиме.

Рис. 13. Скреперы:

а-самоходный; б-прицепной

Эксплуатационная производительность скрепе­ра (м³/ч) в плотном теле

где n – число циклов в час (n = 3600/Т_ц где Т_ц — продолжительность одного рабочего цикла скре­пера, с); q – вместимость ковша скрепера, м³; К_н – коэффициент наполнения ковша грунтом (К_н=0,6…1,2); К_н = q/q₁ (где q₁ – объем рыхло­го грунта в ковше скрепера); K_р – коэффициент разрыхления грунта в ковше скрепера(K_р=1,1…1,3); K_в – коэффициент использова­ния машины по времени (K_в=0,8…0,9).

где l_з, l_т, l_рз, l_п.х – длины участков соответственно набора грунта (заполнения ковша), транспорти­ровки грунта, разгрузки ковша, порожнего хода скрепера, м; v_з, v_т, v_рз, v_п.х – скорости скрепера соответственно при заполнении ковша, транс­портировке грунта, разгрузке и порожнем ходе, м/с: t_п – время на переключение передач тягача, t_пов – время на один поворот (t_пов =15...20 с).

Длина участка набора грунта

где b – ширина срезаемой полосы, м; h – толщина срезаемого слоя грунта, м.

Набор грунта скрепером производится на участках длиной 12...30 м. Разгружаются скреперы на участках длиной 5...15 м.

При работе скрепера наиболее неблагопри­ятным является момент, когда ковш скрепера почти полностью загружен грунтом при продол­жающемся процессе резания грунта.

Подбор тягача производится по максимальному сопротивлению движению скрепера.

Полное сопротивление движению скрепера при загрузке (кН):

где F₁ — сопротивление движению скрепера, кН:

G_c – вес скрепера, кН; G_гр – вес грунта в ковше, кН; f – коэффициент сопротивления качению колес скрепера по грунту (f=0,1...0,15 для плотных грунтов; f=0,15...0,2 для разрыхлен­ных грунтов; f=0,2...0,25 для сыпучих песков); i = tgα – уклон пути; α – угол наклона пути движения скрепера к горизонту, град; знак «+» принимается при работе на подъем; «–» – при работе под уклон;

F₂ — сопротивление грунта резанию, кН:

К_р – удельное сопротивление грунта резанию (К_р=80…120 КПа): b и h – ширина и толщина срезаемого слоя грунта, м (h = 0,13…0,4 м);

F₃ – сопротивление движению призмы волоче­ния впереди ковша скрепера, кН:

y – отношение высоты призмы волочения к высо­те грунта в ковше (у=0,5...0,65, причем большее значения для сыпучих грунтов); Н – высота слоя грунта в ковше, м (при вместимости ковша q=4,5м³ Н=1…1,18м, при q=6м³ Н=1,25...1,5 м, при q=10 м³ Н=1,8...2 м, при q=15м³ Н=2,3...2,5 м); ρ – плотность грунта. т/м³ (для сухого песка ρ=1,2...1,5 т/м³, для супесей и суглинков ρ=1,6...1,8 т/м³); µ – коэффициент трения грунта по грунту (µ = 0,3...0,5, причем большие значения для песчаных грунтов); g – ускорение свободного падения (g=9,81 м/с²);

F₄ – сопротивление от веса срезаемого слоя грунта, движущегося в ковше, кН:

F₅ – сопротивление от внутреннего трения грунта в ковше, кН:

х – коэффициент, учитывающий влияние рода грунта (для глин х=0,24. ..0,31, для суглинков и супесей х=0,37…0,42, для песков х=0,45...0,5). При загрузке скрепера одним тягачом без трактора-толкача F_∑ ≤ F_тяг, где F_тяг – тяговое усилие тягача, скрепера, кН, при загрузке с помощью толкача F_∑ ≤ F_тяг+F_тол, где F_тол – тяговое усилие толкача, кН.

Лекция 5. Самоходные грейдеры (автогрейдеры)

Автогрейдеры представляют собой самоходные планировочно–профилировочные машины, основным рабочим органом которых служит полнопово­ротный грейдерный отвал с ножами, уста­новленный под углом к продольной оси автогрейдера и размещенный между передним и задним мостами пневмоколесного ходового оборудования. При движении автогрейдера ножи срезают грунт, а отвал сдвигает его в сторону.

Автогрейдеры применяют для планировочных и профилировочных работ при строительстве дорог, сооружении невысоких насыпей и профиль­ных выемок, отрывке дорожного корыта и распре­делении в нем каменных материалов, зачистке дна котлованов, планировке территорий, засыпке траншей, рвов, канав и ям, а также очистке дорог, строительных площадок, городских маги­стралей и площадей от снега в зимнее время. Автогрейдеры используют на грунтах I...III категорий. Процесс работы автогрейдера состоит из последовательных проходов, при которых осуществляется резание грунта, его перемещение, разравнивание и планировка поверхности соору­жения.

Современные автогрейдеры конструктивно подобны и выполнены в виде самоходных трехосных машин с полноповоротным грейдерным отвалом, с механической и гидромеханической трансмиссией и гидравлической системой управления рабо­чими органами.

Автогрейдеры классифицируют по конструктивной массе, типу трансмиссии, колесной схеме и типу бортовых передач. По конструктивной массе автогрейдеры разделяют на легкие (до 12т), средние (до 15 т) и тяжелые (более 15т). Колесная схема автогрейдеров, определяется формулой А × Б × В, где А – число осей с управляемыми колесами; Б – число осей с ведущими колесами и В – общее число осей. Колесная схема отечественных автогрейдеров легкого и среднего типов 1×2×3, тяжелого типа 1×3×3.

По типу трансмиссии различают автогрейдеры с механической и гидромеханической трансмисси­ями. Гидромеханическая трансмиссия обеспечива­ет автоматическое и плавное изменения скорости движения автогрейдера, механическая — ступенчатое. Бортовые передачи бывают двух типов – в виде бортовых редукторов (у легких и средних автогрейдеров) и раздельных ведущих мостов (у тяжелых автогрейдеров). Каждый автогрейдер состоит из рамы, трансмиссии, ходового устрой­ства, основного и дополнительного рабочего оборудования, механизмов с системой управления и кабины машиниста. Рамы автогрейдеров могут быть жесткими и шарнирно сочлененными. Наличие шарнирно сочлененной рамы обеспечива­ет повышенную маневренность машины.

Основным рабочим органом автогрейдеров является полноповоротный грейдерный отвал, снабженный сменными двухлезвийными ножами. Кроме основного рабочего органа автогрейдеры могут быть оснащены дополнительными сменными рабочими органами – бульдозерным отвалом для разравнивания грунта, засыпки траншей, распре­деления строительных материалов; удлинителем грейдерного отвала для увеличения ширины захвата; откосниками, закрепляемыми на отвале, для планирования откосов насыпей (выемок) и очистки канав; кирковщиком для взламывания дорожных покрытий и рыхления плотных грунтов. Бульдозерные отвалы навешиваются спереди машины. Кирковшики могут навешиваться как спереди, так и сзади машины, а также непосредственно на грейдерный отвал. Управле­ние бульдозерным отвалом и кирковщиком осуществляется гидроцилиндрами двойного дей­ствия.

Промышленность выпускает базовые модели автогрейдеров: легкого типа – ДЗ-148 (взамен ДЗ-99А); среднего типа – ДЗ-122А и ДЗ-143; и тяжелого типа — ДЗ-98А и ДЗ-140, которые имеют модификации, различающиеся между собой мощностью силовой установки, типом трансмиссии, наличием и типом автоматической системы управления отвалом, параметрами рабочего оборудования, типом рам.

Рис. 14. Автогрейдер ДЗ-143:

а-общий вид; б-схема поворота отвала; в-схема бокового наклона колес;

г-схема бокового выноса отвала

Все узлы и агрегаты автогрейдера ДЗ-143 (рис. 14, а), в том числе двигатель 3 с транс­миссией, кабина водителя 4, основное и дополни­тельное рабочее оборудование автогрейдера, смонтированы на основной раме 8 коробчатого сечения, которая одним концом опирается на передний мост с управляемыми пневмоколесами 11, а другим – на задний четырехколесный мост 15 с продольно-балансирной подвеской парных колес 16. Передние колеса автогрейдера можно устанавливать с боковым наклоном в обе стороны для повышения устойчивости движения машины при работе на уклонах (рис. 14, в) и уменьшения радиуса поворота. Основное рабочее оборудование автогрейдера состоит из тяговой рамы 7, поворотного круга 12 и отвала 13 со сменными двухлезвийными ножами. Полноповоротный в плане отвал обеспечивает работу автогрейдера при прямом и обратном ходах машины. Поворот отвала в плане осуществляется гидромотором через редуктор. Передняя часть тяговой рамы шарнирно соединена с рамой машины, а задняя часть подвешена на двух гидроцилиндрах 6, с помощью которых грейдерный отвал устанавливают в раз­личные положения: транспортное (поднятое) и рабочее (опущенное). В рабочем положении отвал внедряется в грунт ножами и при движении срезает слой грунта и перемещает его в направ­лении, определяемом установкой отвала в плане под углом α к продольной оси машины (рис. 14, б).

Угол резания отвала в зависимости от категории грунта регулируется гидроцилиндром 14. Вынос тяговой рамы в обе стороны от продольной оси машины обеспечивается гидроци­линдром 5. Дополнительное рабочее оборудование автогрейдера включает удлинитель отвала, кирковщик 1, управляемый гидроцилиндром 2, и бульдозерный отвал 10, управляемый гидроцилиндром 9.

Гидравлическая система управления рабочим оборудованием автогрейдеров обеспечивает подъ­ем и опускание тяговой рамы вместе с поворотным кругом и отвалом, поворот отвала вместе с поворотным кругом в плане на 360^°, боковой вынос отвала в обе стороны от продольной оси машины (рис. 14, г), установку отвала под углом β (до 18^°) в вертикальной плоскости, боковой вынос отвала для планировки откосов под углом γ (до 90^°) (рис. 14, г), а также совмещение различных установок отвала.

Отдельные автогрейдеры могут оснащаться автоматической системой управления отвалом типа «Профиль», предназначенной для автомати­ческой стабилизации отвала в поперечном и продольном направлениях, что позволяет существенно повысить производительность маши­ны и точность обработки поверхности. На автогрейдерах устанавливаются автоматические системы «Профиль-10», «Профиль-20» и «Профиль-30».

Эксплуатационная производительность авто­грейдера (м³/ч) при резании и перемещении грунта

где В – ширина захвата отвала, м; l – длина участка, м; h – толщина срезаемой стружки; К_в – коэффициент использования машины по времени; t_p – время, затрачиваемое на один проход, с; t_п – время, затрачивае­мое на один поворот; n – число проходов по одному участку.

Лекция 6. Экскаваторы

Экскаваторы представляют собой самоходные землеройные машины, предназначенные для копания и перемещения грунта. Различают одноковшовые экскаваторы периодического (цикличного) действия с основным рабочим органом в виде ковша определенной вместимости и экска­ваторы непрерывного действия с многоковшовы­ми, скребковыми и фрезерными (бесковшовыми) рабочими органами. Одноковшовые экскаваторы осуществляют работу отдельными многократно повторяющимися циклами, в течение которых операции копания и перемещения грунта выпол­няются раздельно и последовательно. В процессе работы машина периодически перемещается на небольшие расстояния для копания очередных объемов грунта. Экскаваторы непрерывного действия копание и перемещение грунта осуще­ствляют одновременно и непрерывно. Производи­тельность таких экскаваторов выше, чем одно­ковшовых, затрачивающих около 2/3 рабочего времени на перемещение грунта и рабочего оборудования.

По назначению одноковшовые экскаваторы делят на строительные универсальные для земляных и погрузочно-разгрузочных работ в строительстве, карьерные для разработки карьеров строительных материалов, рудных и угольных месторождений и вскрышные для разработки полезных ископаемых открытым способом. Экскаваторы непрерывного действия по назначению делят на машины продольного копания для рытья протяженных выемок прямо­угольного и трапецеидального профиля – тран­шей под трубопроводы и коммуникации различно­го назначения (траншейные экскаваторы), кана­лов и водоводов (каналокопатели), поперечного копания для карьерных, планировочных и мелио­ративных работ, радиального копания для вскрышных и карьерных работ большого объема.

В промышленном и гражданском строительстве преимущественно используются одноковшовые строительные и траншейные экскаваторы.