Строительные машины и основы автоматизации

МАШИНЫ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ МЕРЗЛЫХ И ПРОЧНЫХ ГРУНТОВ, РАЗРУШЕНИЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ И СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Строительство в северных и северо-восточных районах нашей страны связано с существенным увеличением объемов разработки сезоннопромерзающих и вечномерзлых грунтов. Мерзлые грунты по сравнению с немерзлыми (талыми) характеризуются значительно большими сопротивляемостью разрушению (в 15...20 раз) и абра­зивностью (в 100...150 раз), трудоемкостью и стоимостью разработ­ки. Производительность землеройных и землеройно-транспортных машин при разработке мерзлых грунтов резко снижается.

В современном городском строительстве разработку мерзлых грунтов ведут в основном двумя способами — взрывным и механическим. Взрывной способ рыхления мерзлых грунтов применяется обычно при больших объемах работ на открытых, уда­ленных от сооружений площадках при глубине промерзания более 1 м. В последнее время взрывной способ находит применение в стес­ненных городских условиях с использованием локализаторов взры­ва, не допускающих разлета кусков грунта и повреждения соору­жений.

Преимущественное распространение (более 80 % общего объема работ) получил высокоэффективный и универсальный механиче­ский способ разработки мерзлых грунтов с использованием специ­альных машин, условно подразделяемых на две группы; машины для подготовки (предварительного рыхления, нарезания на блоки) мерзлых грунтов и последующей окончательной разработки взаи­модействующими с ними в комплексе землеройными машинами об­щего назначения; машины, самостоятельно выполняющие весь ком­плекс разработки до заданной отметки и эвакуации мерзлого грунта из забоя. К первой группе относятся навесные рыхлители (см. рис. 4.2) на тракторах класса 10...50, машины ударного действия для рыхления грунта ударными импульсами, машины безударного дей­ствия для отрыва грунта от массива, баровые и дискофрезерные ма­
шины для нарезания щелей в мерзлых грунтах; ко второй — земле­ройно-фрезерные машины и траншейные цепные и роторные экскаваторы, рабочие органы и скоростные режимы которых при­способлены для разработки мерзлых грунтов с промерзанием на всю глубину траншеи.

Машины ударного действия воздействуют на разрушаемую среду (мерзлый грунт, твердое дорожное покрытие, фундамент и т. п.) ударными импульсами свободно падающих или забиваемых рабо­чих органов. Самым распространенным видом свободно падающих рабочих органов являются клин-молоты конусообразной, пирами­дальной и клиновидной форм массой 0,5...4 т.

Клин-молот 3 (рис. 4.40, а) подвешивается к подъемному канату 2 грузовой фрикционной лебедки стрелового самоходного крана или одноковшового механического экскаватора с крановой стрелой 1 и при работе подтягивается лебедкой к оголовку стрелы и сбрасы­вается с высоты 6—8 м. Свободно падающий клин-молот наносит ненаправленные удары, что приводит к высоким затратам энергии на разрушение грунта, снижает качество работ и способствует опас­ному интенсивному разлету кусков грунта в стороны. Клин-молот может быть помещен в жесткие направляющие 5 (рис. 4.40, о) и при сбрасывании попадает в точно заданное место, что позволяет разру­шать грунт наименее энергоемким методом крупного скола и умень­шить опасность разлета осколков. Клин-молот с направляющим устройством обычно монтируется на гусеничном или пневмоколес­ном тракторе, который дооборудуется подъемной зубчато-фрикци - онной лебедкой с приводом от коробки отбора мощности трактора. Направляющее устройство соединяется с базовой машиной упруги­ми амортизирующими элементами 4, что снижает воздействие дина­мических нагрузок на трактор при работе.

Оборудование с заби­ваемым рабочим органом разрабатывает мерзлые грунты большой прочно­сти с глубиной промерза­ния 1... 1,5 м наиболее эф­фективным методом круп­ного скола. Забивание ра­бочего органа в грунт мо­жет осуществляться: сво­бодно падающим грузом б (рис. 4.40, в), подвешенным на канате подъемной ле­бедки базовой машины и движущимся относительно направляющей 5; дизель -

молотами, вибромолотами; гидравлическими, пневматическими и гидропневматическими молотами, используемыми в качестве смен­ного рабочего оборудования одноковшовых строительных экскава­торов. Гидро - и пневмомолоты в настоящее время являются самым распространенным и эффективным оборудованием для разрушения мерзлых грунтов ударной нагрузкой.

При работе машин ударного действия возникают динамические нагрузки, вредно воздействующие как на базовую машину, так и на расположенные поблизости сооружения и коммуникации.

В стесненных условиях сложившейся застройки при работе вбли­зи зданий и подземных коммуникаций широко применяют гидрав­лические экскаваторы с рыхлительным и захватноклещевым рабо­чим оборудованием, которое разрушает мерзлый грунт безударным методом отрыва его от массива.

Для разрушения больших объемов мерзлого грунта (например, при прокладке линейных коммуникаций открытым способом) ис­пользуют высокопроизводительные землерезные и землеройно-фре - зерные машины.

Оборудование захватно-клещевого типа навешивается на гусе­ничные гидравлические экскаваторы 4-й и 5-й размерных групп и предназначено для рыхления мерзлых грунтов, взламывания ас­фальтобетонных дорожных покрытий, разборки старых зданий, снятия и укладки дорожных плит, труб, установки колодцев, по­грузки негабаритов и т. п. Это оборудование, выпускаемое в двух исполнениях (с одно - и трехзубым рыхлителем-захватом), устанав­ливают вместо ковша и рукояти обратной лопаты. В комплект од­нозубого рыхлителя (рис. 4.41, а) входят: двусторонний клык-рых­литель 6 со сменными передним 7 и задним 8 зубьями, шарнирно прикрепленный к двуплечему рычагу 5, ковш обратной лопаты 4 и пара гидроцилиндров 2 поворота рычага с рыхлителем относитель­но рукояти I, взаимозаменяемых с гидроцилиндрами 3 ковша об­ратной лопаты.

Разработка грунта осуществляется при перемещении рукояти с клыком-рыхлителем к экскаватору или поворотом клыка в обе сто­роны относительно рукояти гидроцилиндрами 2, работающими от гидросистемы машины. Шарнирное соединение клыка-рыхлителя с рычагом позволяет разрыхлять грунты с наиболее рациональными углами резания. При разрушении грунта передним зубом 7 клык-рыхлитель движется к опирающемуся на грунт зубьями ковшу 4, прорезая в грунте щель. Возникающие при этом усилия на зубьях рыхлителя и ковша направлены навстречу друг другу, чем значи­тельно снижается передача нагрузки на базовую машину. Задний зуб клыка-рыхлителя, движущийся снизу вверх к экскаватору, ис­пользуется как при рыхлении мерзлого грунта, так и при взламыва­нии дорожных покрытий и погрузочно-разгрузочных работах.

Трехзубый рыхлитель (рис. 4.41, б) состоит из сварной рамы 9 и трех сменных зубьев — центрального 11 и двух боковых 10. Боко­вые зубья можно устанавливать в трех положениях для получения различных по значению усилий рыхления в зависимости от прочно­сти разрушаемого грунта. Зубья одно - и трехзубых рыхлителей на­плавляют твердым сплавом.

Землерезные машины применяют для нарезания щелей шириной до 0,3 м в однородных, мерзлых и трудноразрабатываемых немерз­лых прочных грунтах. Они представляют собой баровое, цепное и дискофрезерное рабочее оборудование, которое навешивается на се­рийные цепные траншейные экскаваторы (вместо основного рабоче­го органа), на гусеничные и пневмоколесные тракторы, дооборудо­ванные гидромеханическими ходоуменьшителями. механизмами привода рабочих органов и гидравлическими подъемными механиз­мами для управления навесным оборудованием. Цепные и дискоф­резерные рабочие органы могут навешиваться на одинаковые базо­вые шасси. Главный параметр землерезных машин — максимальная глубина нарезаемой щели.

Баровые рабочие органы — цепные бары от угольных врубовых машин или комбайнов в виде бесконечной цепи с резцами, обегаю­щей плоскую раму с приводной и натяжной звездочками. Баровыми рабочими органами, прорезающими щели шириной 0.14 м, оборуду­ются цепные траншейные экскаваторы. Барами прорезают верти­кальные продольные щели в однородных мерзлых грунтах на глуб) ну до 2,0 м. На одну базовую машину могут быть навешен, индивидуально гидроуправляемые один, два или три бара.

Однобаровые машины имеют центральное и боковое (смещеь ное) расположение рабочего органа для нарезания щелей вдоль тр( туаров. Барами разрезают массив мерзлого грунта на отдельны блоки массой 5...10 т. которые удаляют из забоя лебедками и крана ми. Иногда нарезанный барами грунт предварительно рыхлят м;. шинами ударного действия, а его дальнейшую выемку производя экскаваторами.

Наибольшее распространение получили цепные землерезные ма шины, на которых используется однотипное максимально унифиші рованное навесное землеройное оборудование, состоящее из четь; рех модулей: цепного рабочего органа 4 (рис. 4.42). механизмов еь привода 2 и заглубления 3 и гидромеханического ходоуменьшител 5 базового трактора 1. Цепные щелерезные органы представляю собой гусеничные цепи движителей тракторов класса 10 с резцами ;

состоят из направляющей рамы, ведущей (приводной) звездочки, ус­тановленной на выходном валу механизма привода, натяжного на­правляющего ролика и натяжного винтового устройства. На звень­ях режущей цепи крепят сменные резцедержатели с резцами от баров угольных врубовых машин или комбайнов. Резцедержатели с резцами могут быть установлены по схемам, обеспечивающим чис­ло линий резания 10, 14 и 21, что позволяет нарезать щели шириной соответственно 0,15. 0,21 и 0,27 мм. Для улучшения транспортирую­щей способности резцов при резании мерзлых грунтов и повышения производительности машины при работе в талых грунтах к резце­держателям дополнительно крепят скребки.

Основными достоинствами цепных и баровых землерезных ма­шин являются простота конструкции и удобство в эксплуатации, не­

большая металлоемкость и достаточно высокая (до 70 м3/ч) произ­водительность, недостатками — большие затраты мощности (до 60% от всей потребляемой) на измельчение грунта и преодоление трения в цепях, низкая долговечность рабочего органа, работающе­го в абразивной среде.

Дисковые щелерезные (дискофрезерные) машины нарезают в мерзлых грунтах щели шириной 80... 120 мм на глубину до 1...2 м с помощью одного или двух оснащенных резцами дисков (роторов) диаметром до 3 м. Эти машины применяют также для рытья узких траншей прямоугольного профиля под кабели электропередач и связи, трубопроводов малых диаметров, а также вскрытия асфаль­товых дорожных покрытий. Дисковым рабочим оборудованием ос­нащаются траншейные экскаваторы и гусеничные тракторы, обору­дованные ходоуменьшителями и бульдозерными отвалами. Привод рабочего органа может быть механическим и гидравлическим. Ско­рость резания составляет 2...3 м/с.

Дисковая щелерезная машина (рис. 4.43) предназначена для ры­тья траншей и щелей шириной 0,28 м и глубиной до 1.3 м в мерзлых и плотных грунтах. Навесное рабочее оборудование экскаватора включает дисковый ротор с гидравлическим приводом, раму 8 с зачистным устройством 10 и гидравлический механизм подъ­ема-опускания ротора. Ротор состоит из диска 13, на котором с по­мощью зубодержателей 11 установлены восемнадцать зубьев 12. разрабатывающих грунт и выносящих его на поверхность. Ротор ус-

тановлен на опоре 14 рамы и приводится во вращение от высокомо- ментного гидромотора 6 через зубчатый редуктор 7. Выходная шес­терня 16 редуктора входит в зацепление с зубчатым венцом 9, жестко прикрепленным к диску ротора.

Рабочий орган не имеет специального оборудования для транс­портирования разработанного грунта; вынесенный зубьями на по­верхность грунт отодвигается в обе стороны от бровки траншеи плужками 15 рамы 8 и располагается валиком вдоль отрываемой траншеи. Подъем и опускание рабочего органа осуществляется гид­равлическим подъемным механизмом, включающим два гидроци - линдра 5, раму 4 и телескопические тяги 5. Рабочие скорости экска­ватора при копании траншей обеспечиваются гидромеханическим ходоуменьшителем и бесступенчато регулируются в диапазоне

10.. .480 м/ч.

Для получения транспортных скоростей передвижения машины (2,2...9,8 км/ч) используется тракторная коробка передач. Привод насосов гидросистемы экскаватора и гидромотора ходоуменьшите - ля осуществляется от раздаточной коробки 2.

Основные достоинства дискофрезерных машин по сравнению с баровыми и цепными — пониженная энергоемкость процесса реза­ния за счет малого количества трущихся поверхностей ротора, более высокие производительность и долговечность (в 2...3 раза) же­сткого рабочего органа; основные недостатки — высокая металло­емкость и ограниченная глубина копания, составляющая примерно 0,5 диаметра ротора.

Эксплуатационную производительность щеленарезных машин (м3/ч) определяют по объему разрушенного грунта:

Пэ = пНщВщУрКв, (4.33)

где п — число одновременно нарезаемых щелей; Нщ, Вш — глубина и ширина прорезаемой щели, м; vp — рабочая скорость движения ма­шины, м/ч; К* — коэффициент использования машины по времени.

Землеройно-фрезерные машины (ЗФМ) применяют для послой­ной разработки (фрезерования) мерзлых грунтов и твердых пород при выполнении планировочных работ, отрывке корыт под внутри­квартальные дороги, трамвайные и подкрановые пути, а также раз­рушения асфальтобетонных покрытий с последующей экскавацией разрушенных материалов бульдозерным отвалом.

Главным параметром ЗФМ является ширина фрезеруемой за один проход полосы. ЗФМ базируются на серийных гусеничных бульдозерах тягового класса 10... 15, оборудованных гидромеха­ническими ходоуменьшителями для получения пониженных рабо­чих скоростей передвижения, бесступенчато регулируемых в диапазоне 0...500 м/ч. Конструкции современных ЗФМ имет-jr ма­ло различий.

Рабочий орган ЗФМ — фреза диаметром 900... 1020 мм, пред­ставляющая собой горизонтальный полый вал с приваренными пер­пендикулярно его оси кронштейнами, которые оснащены сменными режущими наконечниками (клыками) с износостойкой твердосплав­ной наплавкой. Кронштейны в количестве от 21 до 26 расположены на валу по одной или двум винтовым линиям, расходящимся от се - , редины вала. Такая расстановка кронштейнов обеспечивает опреде­ленную последовательность работы каждого резца, минимальную энергоемкость процесса фрезерования, ровность планируемой по­верхности, а также транспортирование части разрушенного грунта к краям обрабатываемой полосы.

Машина послойного фрезерования (рис. 4.44) эффективно разра­батывает мерзлые грунты с температурой до -10 °С, прочностью по плотномеру ДорНИИ до 250 ударов с каменистыми включениями крупностью не более 50 мм.

Машина состоит из базового трактора класса 10 с бульдозерным оборудованием рабочего органа фрезерного типа, силовой передачи для привода рабочего органа, навесного устройства, гидропривода подъема и опускания рабочего органа, гидромеханического ходо - уменынителя, системы управления и противовеса.

Привод фрезы 10 осуществляется от редуктора отбора мощности 5, через цепные передачи 7 и бортовые редукторы 8. Привод обеспе­чивает одну или две скорости резания в диапазоне 0,7... 1,4 м/с и оборудуется предохранительной муфтой предельного момента 6. Рабочий орган навешивается на базовый трактор с помощью четы­рехзвенного шарнирного механизма, образованного общим корпу­сом редуктора отбора мощности и ходоуменьшителя 4, тягами цеп­ных передач, нижней рамой 11 и корпусами бортовых редукторов, жестко связанных между собой поперечной балкой 9. Перевод рабо­чего органа в транспортное и рабочее положения и удержание его на заданной глубине фрезерования осуществляются двумя гидроци­линдрами 12, работающими от гидросиетемы базового трактора 3. Для уравновешивания массы навесного оборудования в передней части машины установлен противовес 2.

Современные ЗФМ за один проход обрабатывают полосу грунта шириной 2.6...3,4 м при глубине фрезерования до 0,25...0,35 м. После каждого прохода фрезой разрушенный грунт (материал) убирается бульдозерным отвалом 1. Производительность ЗФМ при разработ­ке мерзлого грунта составляет 140...400 м3/ч.

Основным недостатком землеройно-фрезерных машин является интенсивный абразивный износ режущих элементов.