Машины строительного производства Курс лекции для главных механиков строительных организации. Доктор технических наук, Академик национальной академии наук машиностроения и транспорта РК, Рабат Ондабек Жанахметулы. МАШИНЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ Лекция 1. Машины для подготовительных работ В технологическом процессе земляных работ в начале грунтовых условий производят очистку территории, рыхление грунтов при необходимости, бурение к взрывным работам. Машины для подготовительных работ (МПР) предназначены для очистки территорий, на которых должно осуществляться строительство, а также для предварительного рыхления тяжелых грунтов (мерзлых, скальных, полускальных) с целью подготовки их к разработке, то есть выполнения собственно земляных работ. Эти машины или навесное оборудование могут иметь индекс ДП. Для очистки территорий применяют бульдозеры, а также мелиоративные машины: кусторезы и корчеватели, которые выполняются в виде сменного оборудования к бульдозерам класса тяги 100 кН (10 т) и предназначены для срезки за один проход кустарника и мелких деревьев с диаметром стволов до 20 см, а также корчевания пней. Кроме очистки территорий c целью освобождения от растительности, камней и других объектов, препятствующих началу строительных работ, в последние годы, вследствие аварий и катастроф техногенного характера, стала актуальной проблема удаления загрязненных слоев грунта, в том числе подвергнутых радиоактивному заражению и заросших растительностью. Это обусловливает актуальность создания специальной техники, способной снимать верхний слой закустаренного грунта, измельчать и загружать полученную грунтоводревесную массу в транспортное средство для доставки на место последующей очищающей переработки или захоронения. До настоящего времени подобные машины практически отсутствуют за исключением нескольких малогабаритных моделей. Для решения указанной задачи ЦНИИСом совместно с фирмой «Транстехновация» разработан самоходный грунтозаборник производтельностью по грунтоводревесной массе более 100 т/ч, обеспечивающий снятие слоев грунта на глубину 5 – 20 см с отслеживанием рельефа поверхности при закустаренности поверхности до 10% и наличии деревьев с диаметром стволов до 4 см. Размер измельчения древесных включений не более 10 см. Машина (рисунок 2.1) выполнена в виде полуприцепного оборудования к гусеничному трактору тягового класса 100 кН. Отвал бульдозера обеспечивает предварительное пригибание кустарника к поверхности грунта. Базовый трактор оснащается ходоуменьшителем, снижающим рабочую скорость до 150…750 м/ч. Кабина оборудована системой кондиционирования воздуха. 2.1 – Схема грунтозаборника для снятия загрязненного слоя грунта (разработка ЦНИИС): 1 − отвал бульдозера; 2 − гусеничный трактор; 3 − отбойная плита; 4 − фреза; 5 − шнек; 6 − подъемный элеватор; 7 − зачистной нож; 8 − сепаратор; 9 − ленточный конвейер В качестве грунторазрабатывающего рабочего органа применена фреза с плоскими косоустановленными ножами, взаимодействующая с противорежущим ножом отбойной плиты по типу рабочего оборудования мелиоративных машин. Шнек использован как грунтозаборный орган для подбора и загрузки в ковшевой элеватор измельченной массы грунта и древесины. Непосредственно за шнеком установлен зачистной нож. В верхней части элеватор оснащен ленточным отвальным поворотным конвейером с сепаратором для подачи грунтодревесной массы на высоту до 2,8 м в транспортные средства с обеих сторон. Гидропривод обеспечивает бесступенчатое регулирование рабочих скоростей фрезы, шнека и машины при рабочем передвижении, а также защиту механизмов от перегрузок. Все рабочие органы закрыты кожухами. Во избежание пыления при работе в конструкции машины предусмотрено устройство для увлажнения зон пылевыделения. Для рыхления прочных (скальных, полускальных) и мерзлых грунтов, то есть превращения их в крупнообломочные, наиболее эффективным является механическое рыхление с помощью навесных тракторных рыхлителей (бульдозерно-рыхлительных агрегатов) или навесных экскаваторных рыхлителей. Если областью применения навесных тракторных рыхлителей являются земляные работы больших объемов, выполняемые на свободных пространствах, то областью применения экскаваторных рыхлителей являются земляные работы в стесненных условиях. Навесные тракторные рыхлители монтируют на заднюю часть базовых тракторов тяжелых и сверхтяжелых бульдозеров (обычно тягового класса не ниже 200 кН), образуя таким образом бульдозернорыхлительные агрегаты (рисунок 2.2). Рисунок 2.2 – Бульдозерно-рыхлительный агрегат: 1 − звено регулирования угла резания; 2 − гидроцилиндры заглубления и подъема рабочего органа; 3 − поперечная балка; 4-5 − элементы крепления стойки; 6 − стойка с зубом; 7 − тяговая рама рыхлителя Рабочим органом является стойка с рыхлящим зубом, оснащенным износостойким наконечником. Кроме одностоечных рыхлителей, имеются конструкции рыхлителей с тремя и пятью стойками. Параллелограммный механизм подъема и опускания (заглубления) рабочего органа с помощью гидропривода обеспечивает его вертикальные перемещения с сохранением заданного угла резания (рыхления). При необходимости этот угол можно изменять с помощью гидроцилиндров, расположенных вверху параллелограмма. Заглубление рабочего органа в грунт у тяжелых и сверхтяжелых машин может достигать 1,6 м, а масса агрегата 100 т. Рыхление грунта осуществляется последовательно продольными и поперечными проходами рыхлителя, а перемещение разрыхленного грунта- отвалом бульдозера. Разработка тяжелых грунтов с применением тракторных рыхлителей является наиболее предпочтительной, однако эффективное применение этих высокопроизводительных и дорогих машин невозможно в стесненных условиях, когда рациональным становится применение навесных рыхлителей на одноковшовых экскаваторах (например, в городских условиях). Рабочим органом таких рыхлителей является мощный гидро- или пневмомолот с зубом, навешиваемый на рукоять экскаватора с оборудованием обратной лопаты вместо ковша (рисунок 2.3). В сложных условиях строительства рыхление тяжелых грунтов иногда может вызвать необходимость применения взрывного способа работ, например, в горной местности при проходке пионерных трасс или в каменных карьерах. В любых случаях такие работы связаны с проблемами экологии, обеспечения безопасности их выполнения, а также различными ограничениями и дополнительными сложностями, неизбежно приводящими к удорожанию строительства. Наиболее трудоемкими работами при взрывном способе рыхления прочных грунтов является бурение по заданной схеме скважин для заряжания их ВВ. Рисунок 2.3 – Навесной экскаваторный рыхлитель в работе Рисунок 2.4 - Бурильная машина СБШ-160 для взрывных работ: 1 − противовес; 2 − базовый трактор; 3 − буровая рама; 4 − опорные гидродомкраты; 5 − шарошечное долото; 6 − ресивер; 7 − гидробак; 8 − приводное кассетное устройство для свинчивания и развинчивания штанг; 9 − вращательно-подающий механизм; 10 − пылеподавляющая установка; 11 − компрессорно-генераторная установка Базой машины является гусеничный гидрофицированный трактор тягового класса 10 т. Машина предназначена для бурения взрывных скважин диаметром до 160 мм, глубиной до 32 м в грунтах до Х категории. Машина общей массой 25,5 т имеет следующие механизмы с гидроприводом: -вращения шарошечного инструмента с частотой 0…150 об/мин; -подачи инструмента на забой с усилием до 150 кН; -продувки скважины от винтового компрессора, расположенного в передней части двигателя трактора; -очистки технологического воздуха от пыли; -позиционирования базы относительно горизонтальной поверхности; -наклона бурового оборудования; -свинчивания и развинчивания штанг бурового става. Кроме вертикального, обеспечивается наклонное бурение под углом до ±300 к вертикали. Производительность машины зависит от прочности грунта, составляя в среднем 60…70 м скважин в смену. Машина нашла широкое применение не только в транспортном строительстве, но и в других областях строительства. Лекция2. Назначение и виды машин для земляных работ Машины для земляных работ (МЗР) относятся к самому крупному классу строительных машин. С помощью этих машин осуществляется комплексная механизация наиболее тяжелых строительных работ по выемке, перемещению, укладке, уплотнению и планировке грунтовых масс. Стоимость МЗР составляет примерно 1/3 общей стоимости машинного парка строительства. Значение этих машин определяется масштабами земляных работ и их высокой энергоемкостью. В конце 90-х годов прошедшего столетия общий объем земляных работ в СССР приближался к уровню 25млрд. м3 (с учетом горнодобывающей промышленности). Только в транспортном строительстве ежегодный объем земляных работ достигал 0,5млрд. м3. До 15% этого объема приходилось на работы, выполняемые в мерзлых, полускальных и скальных грунтах. По назначению МЗР можно разделить на следующие виды: -землеройные машины (ЗМ); -землеройно-транспортные машины (ЗТМ); -грунтоуплотняющие машины (ГУМ); -машины для сооружения водоотводов и укрепления откосов УО). (МСВ и Землеройные машины предназначены в основном для отделения грунта от массива. Дальность перемещения грунта у них ограничена размерами рабочего оборудования. Это прежде всего одноковшовые экскаваторы (ЭО), экскаваторы-траншеекопатели (ЭТ). При перемещении разработанного грунта на большие расстояния одноковшовые экскаваторы работают в комплектах с транспортными средствами (обычно с автосамосвалами). Землеройно-транспортные машины, к которым относятся бульдозеры (Б) и скреперы (С), наряду с отделением грунта от массива (процессом копания) обеспечивают его транспортирование на достаточно большие расстояния. Бульдозеры могут эффективно перемещать грунт на расстояние до 80 м, а скреперы – до 2 км и более. Грунтоуплотняющие машины повышают плотность грунтов, разрыхленных при разработке и уложенных в тело земляного сооружения (насыпи, дамбы и т.п.), до нормативных уровней. К этим машинам относятся катки (К) и трамбующие машины (ТМ). К виду МСВ и УО относятся специальные машины для устройства водоотводных канав (кюветов, нагорных канав), называемые канавокюветокопателями, а также машины для укрепления откосов насыпей и выемок (УО). В отношении машин для земляных работ (МЗР) действует международный стандарт ГОСТ Р ИСО 6165 – 99 «МАШИНЫ ЗЕМЛЕРОЙНЫЕ. Классификация. В данном стандарте установлены следующие термины с соответствующими определениями для идентификации рассматриваемых машин: землеройная машина – самоходная или прицепная машина на гусеничном, колесном или шагающем ходу с рабочим или дополнительным оборудованием (рабочим органом), предназначенная главным образом для выполнения работ по выемке, рыхлению, погрузке, транспортированию, распределению, уплотнению грунта и других материалов, а также прокладыванию траншей; бульдозер – самоходная колесная или гусеничная машина с рабочим оборудованием для срезания, перемещения и распределения материала за счет движения машины вперед или используемое для напорного усилия. погрузчик – самоходная гусеничная или колесная машина с фронтальным рабочим оборудованием, предназначенная главным образом для погрузочных операций (использование ковша); экскаватор – самоходная машина на колесном, гусеничном или шагающем ходу, имеющая поворотную верхнюю часть с рабочим оборудованием, предназначенным главным образом для копания грунта без перемещения ходовой части в течение рабочего цикла; траншеекопатель – самоходная колесная или гусеничная машина с установленным сзади рабочим оборудованием (обычно цепным или роторным), предназначенным для прокладки траншей при непрерывном движении машины; скрепер – самоходная колесная машина, имеющая открытый ковш с режущей кромкой, установленный между передней и задней осями, который срезает, загружает, транспортирует, выгружает и распределяет грунт при движении вперед. Загрузке ковша может способствовать имеющийся в конструкции машины механизм (элеватор, шнек); автогрейдер – самоходная колесная машина с регулируемым в пространстве отвалом, расположенным внутри колесной базы, и дополнительными рабочими органами; каток – самоходная машина с уплотняющими вальцами различного вида для уплотнения грунта и других материалов путем укатывания или вибрационного воздействия. Землеройные машины. 1. Одноковшовые экскаваторы. К наиболее распространенным в строительстве землеройным машинам относятся экскаваторы, которые подразделяются на одноковшовые экскаваторы общего назначения (относятся к машинам цикличного действия) и специализированные экскаваторы – траншеекопатели, являющиеся машинами непрерывного действия. Современные строительные экскаваторы оснащаются гидравлическим оборудованием, они предназначены для копания грунтов до IV категории включительно без их предварительного рыхления при разработке резервов для возведения насыпей, отрывке котлованов, траншей, каналов и других выемок и при разработке карьеров строительных материалов. Они могут также использоваться на более прочных грунтах, включая мерзлые, после их предварительного рыхления. Строительные одноковшовые экскаваторы приспособлены для установки различного сменного рабочего оборудования и сменных рабочих органов и поэтому их называют универсальными. Рисунок 2.9 – Схемы рабочего оборудования одноковшовых гидравлических экскаваторов: а – обратная лопата; б – прямая лопата; в – планировщик с телескопической • Экскаваторы-траншеекопатели (ЭТ) предназначены для отрывки траншей для прокладки различных коммуникаций. Имеют чаще оригинальную базу, иногда имеют конструктивное исполнение на базе тракторов. Рабочие органы, расположенные продольно, могут быть цепные (ЭТЦ) или роторные (ЭТР). Для укладки разработанного грунта рядом с траншеей имеют поперечный отвальный конвейер небольшой длины (рисунок 2.11) . • Рисунок 2.11 – Схема цепного экскаватора ЭТР-252М: По сравнению с роторными цепные траншеекопатели обеспечивают отрывку более глубоких траншей, так как глубина копания роторных экскаваторов (рисунок 2.12) конструктивно ограничена диаметром ротора. Однако роторные рабочие органы имеют более высокий КПД рабочего органа (примерно в два раза выше), а поэтому при равной мощности привода обеспечивают и более высокую производительность, чем цепные. Рисунок 2.12 – Схема роторного экскаватора ЭТР-224А: 2. Землеройно-транспортные машины К землеройно-транспортным машинам (ЗТМ) относятся машины, которые не только разрабатывают (осуществляют копание) грунта, но и перемещают его к месту укладки в грунтовое сооружение (насыпь, плотину и т.п.). Наиболее характерными из таких машин являются бульдозеры и скреперы – машины цикличного действия. К ЗТМ относят также машины непрерывного действия – автогрейдеры и грейдерэлеваторы, перемещающие разрабатываемый грунт в сторону по отношению к направлению движения машины с помощью отвала (автогрейдеры) или конвейера (грейдер-элеваторы). Бульдозеры (рисунок 2.13) ‒ универсальные землеройно-транспортные машины в виде навесного оборудования к гусеничным тракторам промышленного типа, наиболее широко применяемые в строительстве при выполнении подготовительных, земляных, планировочных и различных вспомогательных работ. Рабочим органом бульдозера является отвал, устанавливаемый впереди базового трактора и соединенный с ним толкающими брусьями и гидроцилиндрами механизма подъема и опускания отвала. Бульдозеры перемещают грунт отвалом путем волочения, что сопровождается его потерями из призмы волочения и ограничивает дальность перемещения. Наиболее крупные зарубежные фирмы по производству землеройной техники, например, Сatеrpillar рекламируют бульдозеры на гусеничных тракторах мощностью от 52 кВт (масса 7,4 т) до 634 кВт (масса 113 т), а фирма Liebherr соответственно от 86 (12) до 310 (50). Рисунок 2.13 – Схема бульдозера: а – с лобовым отвалом; б – с поворотным отвалом; 1 – отвал, 2,5 – раскосы; 3–толкающие брусья; 4 – гидроцилиндр; 6 – шарнир По установке основного рабочего органа-отвала бульдозеры подразделяют на бульдозеры с неповоротным (лобовым) и бульдозеры с поворотным (косоустанавливаемым) отвалом. В строительстве в основном применяются бульдезеры с неповоротными отвалами. Неповоротные отвалы принципиально можно подразделить на прямые, полусферические и сферические (по зарубежной терминологии полу- Uобразные и U-образные). Зарубежные фирмы рекламируют большое разнообразие конструкций бульдозерных отвалов, например, Caterpillar и Komatsu, изготавливаемых по заказам. В настоящее время для управления работой бульдозеров и других землеройных и планировочных машин получают применение космические глобальные системы позиционирования типа GPS. Система GPS использует 24 геостационарных спутника, как минимум 4 из которых видны из любой точки поверхности Земли. Для использования системы GPS машины должны быть оснащены устройствами приема информации GPS и программами работы с данными GPS. Бульдозер-террасер (БТ) предназначен для разработки грунтов в экстремальных условиях эксплуатации. При выполнении работ на земляных сооружениях могут появиться опасности на местах работы бульдозеров из-за крутых откосов, неоднородности грунта, пропастей на горных дорогах и другого. При сильном возросшем количестве машин на стройках увеличилось число рисков. Так, по данным Швейцарского отделения по предотвращению несчастных случаев Sura, за 10 лет (1992-2002) доля смертных случаев, связанных со строительными машинами, удвоилась с 7,5 до 15%. Для предотвращения таких несчастных случаев фирмы и заводы проводят комплекс мероприятий по совершенствованию конструкций машин с учетом условий работы, требований техники безопасности. Конструктивно система защиты при опрокидывании машины регламентируется стандартом JSO 12117,системами ROPS (защита при опрокидывании землеройной машины (ЗМ) и OPS (защиты при скольжении и произвольном движении ЗМ). Поэтому в КазАДИ разработана конструкция нового бульдозера-террасера с выдвижным отвалом, позволяющего расширить функциональные возможности этих машин и обеспечить устойчивость машины при срезке грунта на террасах и косогорах, крутых склонах, обочинах и откосах дорог; расчистке обвалов, оползней и селевых выносов; очистке и удалении завалов вследствие землетрясений, селей, наводнений и снежных лавин, является актуальной. На основе статистического анализа разработанных критериев подобия были обоснованы параметры и изготовлена действующая физическая модель БТ на базе трактора D11N фирмы «Катерпиллер» США, (рисунок 2.18) и проведены эксперименты в грунтовом канале, которые показали работоспособность и эффективность машины, таблица 2.7 [11]. Рисунок 2.18 – Общий вид бульдозера-террасера 1 – базовый трактор; 2 – толкающий брус; 3 – отвал; 4 – механизм выдвижения отвала; 5 – гидроцилиндр выдвижения отвала; 6 – гидроцилиндр подъема и опускания отвала; 7 – гидрораскос; 8 – поперечная рама; 9 – рыхлительное оборудование Получены 15 корреляционных уравнений, для расчета параметров машины. Эксперименты показали, что БТ может успешно применяться и обеспечивать безопасность при очистке, удалении и срезе грунта на террасах, косогорах, крутых склонах, обочинах и откосах автомобильных дорог. В перспективе машина будет применена при очистке дорог от снежных заносов и завалов. Бульдозер-террасер позволяет повысить эффективность землеройно- транспортных работ в экстремальных условиях, расширяет функциональные возможности бульдозеров и обеспечивает безопасность производства земляных работ. БТ состоит из двух симметричных механизмов приводов: правого и левого, которые работают аналогично. Под воздействием гидроцилиндра 5 выдвижения 4 отвал выдвигается строго по горизонтали вперед и сбрасывает перемещаемый материал в откос. Работа БТ по расчистке полотна автомобильной дороги от наносов и завалов из крупнообломочных грунтов показана на рисунке 2.19. Рисунок 2.19 – Очистка дорожного полотна от крупнообломочных грунтов с валунами и камнями Новое рабочее оборудование БТ (выдвижной отвал) обеспечивает расширение функциональных технологических возможностей и устойчивость положения машины при работе в экстремальных условиях (исключение падения,переворота, движения юзом на крутых склонах и террасах). Скреперы Скреперы (рисунок 2.26), как и бульдозеры, являются землеройнотранспортными машинами цикличного действия, обеспечивающими рентабельное перемещение грунта на расстояния до 2000 м и более. Основным рабочим органом скрепера является ковш, геометрическая вместимость которого является главным параметром машины. Ковш установлен на раме, имеющей в передней части арку-хобот, обеспечивающую поворот тягача на угол 900. Ковш скрепера оснащен ножевой системой и имеет следующие механизмы с гидроприводом: - механизм подъема и опускания ковша; - механизм подъема и опускания передней заслонки; - механизм выдвижения задней стенки (механизм разгрузки). Скреперы имеют пневмоколесный ход и обычно агрегатируются с одноосными тягачами (самоходные скреперы). Рисунок 2.26 – Самоходный скрепер: 1 – двигатель; 2 – ведущие колеса одноосного тягача; 3 – седельное сцепное устройство; 4 – гидроцилиндры поворота; 5 – тяговая рама; 6,11 и 12 – передняя заслонка; 7 – ковш с ножевой системой; 8 – задняя стенка; 9 – задние колеса; 10 – буфер По способу наполнения ковша грунтом скреперы подразделяются на три вида: - с загрузкой тяговым усилием тягача (и толкача); - с загрузкой с помощью механизма (элеватора) с гидроприводом, имеющегося в передней части конструкции ковша скрепера, (рисунок 2.27); - с помощью специального шнекового механизма, встраиваемого в центре ковша скрепера стандартной комплектации (рисунок 2.28). Рисунок 2.27 – Схема скрепера с элеваторной загрузкой Рисунок 2.28 – Схема скрепера со шнековой загрузкой Скреперы с механизмами загрузки способны полностью заполнять ковш грунтом без помощи толкача, однако имеют большее время копания грунта. Они могут рационально применяться, работая одиночными машинами, тогда как рентабельная работа толкачей с обычными скреперами требует обслуживания нескольких машин. Применение механизмов загрузки ковша уменьшает износ шин, продлевая срок их службы. Авторами разработаны: машины для земляных работ и землеройные машины специального назначения (ЗМСН); скрепер с ковшом плужного типа, РО которого имеет боковые ножи, снабженные винтообразными отвалами (плугами). Такая форма ковша исключает сопротивление боковых стенок ковша процессу наполнения и способствует более эффективному его наполнению ковша. Были изготовлены экспериментальные образцы скреперов с ковшом плужного типа: прицепной вместимостью 3 куб.м., самоходный - 8 куб.м. На рисунке 2.29 показан экспериментальный образец скрепера с ковшом плужного типа. Анализ показал, что расход топлива при разработке грунта: часовой кг/ч на 10%; удельный, кг/м3 на 25% меньше; производительность, м3/ч; больше на 12-18%; а необходимое тяговое усилие кН при наборе грунта на 7-10%; меньше путь набора грунта сокращается на 32-37%. Скрепер с ковшом плужного типа изготовлен в 1987 году на Кзылординском экспериментальном ремонтно-механическом заводе и эксплуатировался в СПМК-36 тресте «Южводстрой», Кзылординском филиале РГП «Казводхоз» Комитета по водным ресурсам министерства сельского хозяйства РК. В ходе проведения сравнительных экспериментальных испытаний установлено, что при копании грунта скреперным ковшом с традиционной режущей кромкой образование боковых валиков наступало почти с начала процесса копания, а при использовании скреперного ковша плужного типа наступало позже, через 10…15 м пути после начала процесса копания. Рисунок 2.29 – Экспериментальный образец скрепера плужного типа ДЗ-33 а) – заполнение передней части ковша (первый этап); б) – конечный этап заполнения ковша (второй этап) Автогрейдеры и грейдер-элеваторы • Автогрейдеры – землеройно-планировочные машины, применяемые в составе комплектов машин для земляных работ. Мощные (тяжелые) автогрейдеры часто применяются и как землеройно-транспортные машины при сооружении земляного полотна дорог с возведением насыпей высотой до 1, 5 м из боковых резервов. • Основным рабочим органом автогрейдера (рисунок 2.33) является отвал, устанавливаемый на кронштейнах поворотного круга тяговой рамы, которая через шаровой шарнир крепится к передней части основной рамы автогрейдера.
